Двигатель внутреннего горения с вбрызгиванием нагретой воды и с конденсацией

Двигатель внутреннего горения с вбрызгиванием нагретой воды и с конденсацией

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Карасе 46 а 3

Яо 2ЗОЯ

ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕН

ОПИСАНие двигателя внутреннего горения с вбрызгиванием нагретой воды и с конденсацией.

К патенту М. П. Савельева, выданному по заявкам от 2 сентября

1916 г. и 7 сентября 1923 г. (заяв. свид. № 77216 от 7 сен- тября 1923 г.).

0 выдаче патента опубликовано 28 февраля 1927 г. Действие патента распростраияется иа 15 лет от 15 сентября 1924 г.

Предлагаемое изобретение имеет целью использовать и обратить в полезную работу двйгателя отходящую тейлоту; в сжатые газы вводится горячая вода для получения процесса внутреннего парообразования в рабочем цилиндре.

На фиг. 1 схематического чертежа изображен двигатель, на фиг. 2 — примерная диаграмма, на фиг. 3, 4 и 5— видоизменения двигателя.

Рабочий цилиндр 1 двигателя окружен подогреваемой им водой, заключенной в водяную рубашку 4 низкого давления (между цилиндром 1, внутренней поверхностью 2 и телом 3).

Вследствие сгорания в цилиндре топлива, развиваемая им теплота передается через стенки цилиндра воде водяной рубашки 4, которая и нагревается. В верхней части устроен сухопарник 5 (низкого давлени я) для того, чтобы процесс нагревания происходил при постоянном давлении. Для контроля нагревания из сухопарника выведен (не показанный на чертеже) ма! нометр. Нагретая в рубашке низкого давления до нужной температуры вода при помощи соответствующего нагнетательного насоса вводится в сектор рубашки высокого давления б, ограниченной наружной поверхностью 10 калоризатора 9 и внутренней стенкой 11. Горючее вводится в калоризатор 9 при помощи клапана

14. В калоризаторе получается наивысшая температура, вследствие чего вода, находящаяся в секторе высокого давления, получает большое количество тепла, благодаря чему нагревание ее доводится до высокой температуры и давления. Для того, чтобы от сектора высокого давления теплота не передавалась в окружающую его рубашку низкого давления, между ними оставлена изолирующая прослойка 8. В секторе высокого давления имееАя также сухопарник 7 высокого давления с соответствующим манометром. Нагретая до высокой температуры и до высокого давления вода подается в клапан 15 для вбрызгивания перегретой воды по трубке, проходящей внутри калоризатора 9 (не показанной на чертеже). Эта трубка является «перегревателем» воды, в которой последняя перегревается до более высокой температуры и давления. Перегретая указанным образом вода вбрызгивается при помо щи клапана в распыленном виде в калоризатор, в горячие (после сгорания топлива) газы, не в целях охлаждения, а в целях испарения внутри цилиндра.

Обозначив через р, и t, давление и температуру сжатых горячих газов, и через р и Р давление и температуру перегретой воды, получается, что р ) р, и t (t,. Вследствие уменьшения упругости (с р до h, и последующего расширения) и вследствие приобретения нового количества тепла (повышение температуры с t до t,), и, благодаря перемешиванию частиц распыленной вбрызгнутой перегретой воды с горячими газами, оставшимися в цилиндре после сгорания горючего,— введенная таким образом перегретая вода, вследствие своего расширения, превращается в пар. Описанный процесс и является процессом внутреннего парообразования (в отличие от внешнего, когда пар получается в котле или в испарителе, и в готовом виде вводится в цилиндр), который и переводит часть тепла, уходящую через стенки цилиндра, и часть, за ключенную в горячих газах †полезную механическую работу. Процесс внутреннего парообразования происходит или в том же цилиндре, в котором происходит процесс внутреннего горения, или в другом «цилиндре внутреннего парообразования», работающем на общем валу, в который перегоняются из первого горячие продукты горения. В первом случае процесс внутреннего парообразования происходит или непосредственно вслед за процессом внутреннего горения (впуск перегретой воды вслед за окончанием горения), или выделяется отдельно от процесса внутреннегь парообразования. В последнем случае после сгорания газообразные продукты расширяются (как и в двигателях внутреннего горения) и потом сжимаются обратным ходом поршня, так что перегретая вода вбрызгивается во вновь сжатые горячие газы, и таким образом процесс внутреннего парообразования

pает самостоятельный рабочий ход поршня. Полученный после парообразования парогаз поступает или прямо в холодильник, или расширяется предварительно в соответствующих цилиндрах (машины многократного расширения).

Двойное расширение при отдельном процессе внутреннего парообразования достигается в том же цилиндре не различными площадями поршней (как в паровых машинах м ногократного расширения), а различными об емами, описываемыми поршнем (фиг.

1 и 2). На примерной диаграмме (фиг. 2) изображен шеститактный комбинированный цикл, расчлененный на, две половины: верхняя представляет собой процессы внутреннего горения, нижняя в процессы внутреннего парообразования. Обе половины цикла помещены по обе стороны абсциссы, представляющей собой ось об емов Ov. Ордината 1 0 продолжена вниз за точку О и представляет ту же ось давлений ОР. При всасывающем ходе ab поршень описывает полный об ем v, при обратном ходе он при открытом клапане дс выталкивает часть засосанного до об ема г, (томка с); в этот момент клапан запирается (при помощи соответствующего распределения), после чего тем же ходом cd производится сжатие до об ема v,.

Далее происходит горение жидкого или газообразного горючего (быстрое или медленное) и расширение продуктов сгорания до полного об ема ю (def). В конце расширения (в точке f) давление близко к давлению конца всасывания. Благодаря такому устройству дальнейшее сжатие (fg) продуктов сгорания до об ема v, не доходит до черезмерно высокой величины.

В точке д открывается клапан 15 и вбрызгивается перегретая вода. Получается описанный выше процесс внутреннего парообразования. В точке h вбрызгивание прекращается, и пар, смешанный с горячими газами, заимствуя от последних часть их теплоты, расширяется до точки г. Далее, при обратном ходе происходит выталкивание мятого парогаза или непосредственно в холодильник, или предварительно в следующий цилиндр низкого давления для дальнейшего расширения.

Описанным образом получаются два рабочих хода на каждые 6 тактов.

При соответствующих изменениях (например, нагнетание воздуха вместо всасывания) получаются циклы меньшего числа тактов. Особенность такого комбинированного раздельного цикла заключается в том, что, кроме более высокого использования теплоты, получаются: при расширении и последующем сжатии продуктов горения — полное сгорание топлива,при вбрызгивании перегретой воды, и при перемешивании пара с горячими газами, температура внутри становится ниже; при выпуске,из цилиндра части засосанного воздуха. (по линии bc диаграммы) получается некоторое проветривание его.

В виду малых об емов водяной рубашки низкого давления и сектора высокого давления, устраивается автоматическое питание котла при постоянном уровне. На фиг. 3 показана часть котла и сухопарника с паровым (сверху),и водяным (снизу) пространством. На воде плавает поплавок 19, установленный в определенной плоскости при помощи стержня 20, свободно вращающегося вокруг цапфы

=1, находящейся при стенке сухопарника. К этому стержню свободно прикреплен при помощи цапфы 22 шток клапана 23 или золотника. В паровом пространстве в стенке сухопарника имеется паровое окно (или вырез в зеркале) с соответствующим седлом для клапана 23. Это окно соединено паровой трубкой 25 с золотниковой коробкой 26 соответствующего питательного насоса. Действие этого приспособления следующее: когда уровень в котле понизится, поплавок, понизившись, сдвинет шток клапана или золотника, клапан 23 откроется, и пар по трубке 25 войдет в золотниковую коробку 26, далее через соответствующее окно 27 по каналу в ту или другую полость цилиндра парового насоса, который автоматически, будучи указанным образом приведен в действие, накачивает воду в котел до тех пор, пока уровень ее в котле не поднимется до требуемой высоты. Тогда поплавок поднимется, клапан 23 закроется, и насос перестанет подавать воду. На фиг. 3 показана схема такого устройства с клапаном. Золотниковое устройство делается так же, только вместо клапана окно прикрывается золотником. Как поплавок, так и стержень и шток могут быть любой формы и весь- механизм может бьггь расположен иначе или усложнен введением нужных тяг и рычагов, а также вместо поршневого насоса может быть поставлен иной. Таким образом, не имеется никаких выведенных из котла наружу подвижных частей (например, штоков, двигающихся с большим сопротивлением через сальники), так что исключена возможность «капризничания» поплавка, так как нет застревания, заедания, прикипания и, кроме того, нет просачивания пара.

Двигатель имеет три тепловых состояния: низкое, нормальное и высокое. Первое состояние характеризуется недостаточным нагреванием воды (например, при пуске в ход), благодаря чему не может получиться полного парообразования. В таком случае двигатель автоматически работает циклом внутреннего горения. При нормальном тепловом состояниями он работает комбинированным циклом (внутреннего горения и внутреннего парообразования), как было описано выше.

При высоком тепловом состоянии, когда в перегретой воде тепловой энергии более чем достаточно для комбинированного цикла, горючее выключается и двигатель работает одним паром. Это достигается при помощи автоматического парового распределения, суть которого заключается в следующем (фиг. 4). Из сухопарника по трубе 30 пар подводится к цилиндру 29, в котором находится упорка-поршень 31. Последний своим свободным концом упирается в распределительный валик 32, на котором насажены, соответствующей длины и профили, распределительные кулачные шайбы 33 и шестерни 38, соответствующие требующимся тактам цикла, передающие вращение распределительному валу. Противоположный конец этого вала испытывает противодавление (например, со стороны упорки 35, на которую давит пружина 36, упирающаяся о неподвижную опору

37, или при помощи иного противодавления, приложенного к валу). ДейcTam этого автоматического парового распределения следующее: при низком тепловом состоянии, когда вода недостаточно нагрета, противодавление давит на распределительный вал вдоль его оси в сторону цилиндра 29.

Под распределительные рычаги клапанов подставляются кулачные шайбы сторонами, ближайшими к противодавлени о. Эта сторона каждой шайбы имеет свою соответственную профиль — круглую, или с кулаками.

В первом случае этот клапан не работает (например, водяной). Под рычаг топливного клапана в то же время подставлена такая же сторона, но с соответствующим кулаком максимальной профили, благодаря чему в этом положении вала работает топливо (более усиленно, чем при нормальном положении, соответствующем нормальному тепловому состоянию).

Цикл получается внутреннего горения.

То же самое относится и к остальным распределительным механизмам. При нагревании в котле воды, в сухопарнике начинает образовываться пар, который приобретает упругость, и, попадая в цилиндр 29 по трубе 30, он тем самым оказывает давление на упорку 31, которая, в свою очередь, перемещает распределительный вал вдоль его оси в сторону проти водавления. При этом кулачные шайбы подставляются под распределительные рычаги своими средними профилями с соответствующими неровностями.

С увеличением в ко|тле температуры и давления, впуск перегретой воды в цилиндр будет постепенно увеличиваться, а впуск топлива постепенно уменьшаться до тех пор, пока при соответствующем давлении, оно не будет выключено, и тогда, т.-е прл высоком тепловом состоянии, двигатель будет работать паром.:При понижении теплового состояния противодавление пересиливает давление пара на упорку, вал перемещается в сторону противодавления, и все процессы постепенно изменяются в обратном порядке. При таком автоматическом паровом распределении количество вводимого горючего cTporo соответствует тепловому состоянию, так как кулачные шайбы имеют прбфили кулаков, изменяющихся постепенно rio длине, при чем таковые для воды и дюж горючего строго соответствуют друг другу. Благодаря этому, под каким бы тепловым состоянием двигатель ни работал, ему обеспечена полная равномерность работы:при строгО экономическом расходе горючего.

Рубашка питается нагретбй дестиллированной во1(ой, получающейся в особом холодильном сепараторе.

Действие его видно из схемы фиг. 5, на которой все процессы выделены отдельно: выхлопной горячий парогаз по трубе 39 выталкивается через адиабатическую насадку 40 в конденсатор 41, в котором находятся охлаждающие поверхности с протекающей холодной водой. Вследсгвйе разрежения удар выхлопа паралиэуется быстрым расширением парогаза во все стороны, и сопротивление выхлопу уменьшается. Благодаря расшйрению парогаза при выталкивании его через адиабатическую насадку, а также и соприкосновению его с охлаждающими поверхностями 42, часть пара конденсируется и стекает на дно конденсатора, где собирается нечистая вода.

В верхней части конденсатора устроен

«уловитель» 43, в которОм циркулирует холодная вода, так что несконденсировавшиеся частицы пара, охлаждаясь, осаждаются на нем и также стекают или падают на дно. Таким образом получается полная конденсация не только полученного от йроцЕсса внутреннего парообразования пара, но и имеющегося такового же в продуктах горения топлива. Из конденсатора продукты горения, главным образом 00„выкачиваются насосом 44, действующим приводом от двигателя, предварительно охлаждаясь сначала холодной водой в аппарате 45, потом испаряющейся жидкой углекислотой в аппарате (углекислой камере) 46, после чего они насосом 44 или компрессором под сильным давлением, не ниже критического, нагнетаются в резервуар 47, где СО, охлаждается, в свою очередь, холодной водой в резервуаре 48, благодаря чему газообразная ГО, сгущается в жидкость.

Эта последняя, испаряясь в аппарате

46, охлаждает выкачиваемую предварительно охлажденную в аппарате 45 газообразную СО., и пар. Испаренная

ГО в аппарате может быть использована дальше. Из конденсатора 41, собранная на дне,,вода с посторонними примесями выкачивается насосом 50.

При этом происходят следующие процессы: благодаря разрежению в конденсаторе (охлаждение, выкачивание газов и лара) — с одной стороны, и непосредственному влиянию горячего выхлопного парогаза на трубки, по которым производится описываемое выкачивание воды, температура последней в этих трубках повышается, благодаря чему в них происходит кипение воды при низком давлении; та-, ким образом из конденсатора выкачивается не вода, а пар, который по пути к насосу охлаждается последовательно холодной водой в резервуаре

49 и потом в аппарате 46, так что пар конденсирует воду. Таким образом получается чистая дистилли рованная вода, необходимая для питания котла при процессе внутреннего парообразования. Далее эта вода, охлаждая газы и пар, сама, в свою очередь, нагревается и в нагретом состоянии поступает в рубашку. Все приведенные в схеме процессы могут происходить и в ином порядке в одном холодильном сепараторе, при чем охлаждение и нагревание паров и газов происходит встречными токами при помощи соответствующих давлений — низких и высоких, производимых соответствующими насосами в целях пользования критическими давлениями и температурами для газов. Кроме того подогревание питательной воды производится охлаждением прочих нагретых поверхностей, как-то поршень и пр. Таким образом происходит использование теряемой в разных частях установки теплоты при помощи охлаждения и нагревания в соответствующих частях воды, пара и газа, пользуясь углекислотой как газообразной, так и жидкой; при этом получается, как побочный продукт, углекислота.

Рубашка двигателя окружена снаружи изолирующим веществом, или воздушной рубашкой, так что в последнем случае теряемая лучеиспусканием теплота передается воздуху, обтекающему его горячие поверхности.

Этот подогретый воздух всасывается в цилиндр для процесса горения. Теплота воздуха также используется в цилиндре двигателя.

ПРЕДМЕТ ПАТЕНТА.

1. Двигатель внутреннего горения с вбрызги ванием нагретой воды и с конденсацией, характеризующийся тем, что водяная рубашка 4, служащая для предварительного нагревания воды, снабжена сухопарником 5, охватывающим рубашку б калоризатора9, служащую gëÿ дальнейшего нагревания воды, подаваемой в нее насосом из рубашки 4 и отсюда в калоризатор через клапан 15, при чем между сухопарниками 5 и 7 остается воздушное пространство и рубашки 4 и сухопарник 5 охватываются воздушной рубашкой 51, 52 (фиг. 1).

2. Видоизменение охарактеризованног в п. 1 двигателя, отличающееся применением поплавкового регулятора

19, 20 уровня воды в рубашке, впускающего клапаном 23 по трубе 25 пар в золотниковую коробку питательного насоса (фиг. 3).

3. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 двигателя, отличающееся применением регулирующего механизма, состоящего из валика 32 (фиг. 4) с распределительными кулаками, расположенного между упоркой 35 с пружиной 36 и упоркой 31, двигающейся в цилиндре 29, в который подводится пар по трубе 30.

4. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 двигателя. отличающееся применением конденсатора 41, откуда газы выкачиваются насосом 44 при охлаждении их в аппаратах 45 и 4б и при сгущении СО, в резервуаре 47, вода же из конденсатора выкачивается насосом 5О при охлаждении ее в аппаратах 49 и 46 и подается через резервуары 49, 48, трубку конденсатора и аппарат 45 в рубашку двигателя (фиг. 5). типо-ниаоирафии «Красный Печатник», Ленинград, Международный, 75