двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий соединенные между собой газовую турбину и компрессор, камеру сгорания, подключенную к компрессору, эжектор, эжектирующий вход которого совмещен с сопловым выходом камеры сгорания, а выход с газовой турбиной, систему подачи топлива в камеру сгорания, отличающийся тем, что он дополнительно содержит холодильник, вход которого соединен с компрессором, а выход с эжектируемым входом эжектора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, точнее к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС).

Известен поршневой ДВС [см. Автомобильные и тракторный двигатели. Под ред. И.М. Ленина. М. Высшая школа, 1969, стр. 13-20, 89-109, 216-246, 113-123, 284-295] Он содержит цилиндр, снабженный поршнем, камерой сгорания, впускным и выпускным клапанами, картер с кривошипно-шатунным механизмом и коленчатым валом, систему подачи топлива и смесеобразования, а также ряд вспомогательных систем. В таком ДВС тепловая энергия сгорания топлива сообщается рабочему газу циклически повторяющимися короткими вспышками. Благодаря высокой температуре вспышек поршневой ДВС имеет большой термический КПД. Он обладает хорошими динамическими свойствами регулирования из-за чего нашел широкое распространение в автомобильной технике и ряде других отраслей.

Однако необходимость сложного кинематического преобразования поступательно-возвратного хода поршней во вращательное движение вала связана с громоздкостью конструкции и соответствующим увеличением веса. Плохие весовые характеристики поршневых ДВС несовместимы с некоторыми быстрыми видами транспорта, особенно с самолетами.

Известен газотурбинный двигательном [В. А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. Техническая термодинамика, М. Энергоатомиздат, 1983, стр. 273-285, рис. 10.12] Он включает газаБую турбину, соединенную общим валом с компрессором, изобарную камеру сгорания, соединенную с компрессором и снабженную выходным соплом, соединенным с турбиной и систему подачи топлива. В таком ДВС тепловая энергия подводится к рабочему газу при непрерывном сгорании топлива, в силу чего выходная газовая струя из сопла обладает очень высокой энергоплотностью. Благодаря этому, а также благодаря отсутствию кинематических преобразований двигатель приобретает большую компактность и легкость. Он нашел широкое применение в авиации и других быстрых видах транспорта.

Однако газотурбинный ДВС имеет сравнительно невысокий КПД. Стремление повысить КПД неизбежно связано с повышением температуры сгорания топлива, а следовательно, с повышением температуры газовой струи, попадающей на рабочие лопатки газовой турбины. Даже если лопатки изготовлены из высокопрочного тугоплавкого металла, их предельная термостойкость несовместима с высоким КПД. В результате газотурбинный ДВС заметно проигрывает поршневому по КПД.

Непосредственным аналогом (прототипом) к заявляемому решению является газотурбинный ДВС с эжектором [см. патент СССР N 7563, кл. Р 02 С 5/02, 1929 г. От предыдущего аналога он отличается наличием газового эжектора, эжектирующим входом которого является сопло камеры сгорания, выход соединен с газовой турбиной, а эжектируемый вход напрямую связан с атмосферой. Идея такого решения состоит в следующем. При выходе из сопла горячая газовая струя засасывает через вход холодный атмосферный воздух и смешивается с ним в эжекторе с понижением температуры. Выходная струя поступает на рабочие лопатки турбины в частично охлажденном виде. В результате возникает возможность (предположительная) сжигать топливо при температуре заметно более высокой, чем температурный предел газовой турбины, то есть повысить КПД двигателя.

Однако, несмотря на изящество исходной идеи, в данной конструкции поставленная цель повышение КПД оказывается фактически недостижимой. Причиной этому являются следующие обстоятельства. Современные газовые турбины допускают довольно высокие (порядка 1000 K) температуры поступающей на лопатки газовой струи. Чтобы получить заметный выигрыш в КПД за счет эжекторного охлаждения необходимо сжигать топливо при значительно более высокой температуре, которой соответствует давление торможения P^*₁ в исходной газовой струе порядка нескольких десятков атмосфер. Столь высокому давлению соответствует определенно сверхзвуковой режим газового эжектора с характерным эффектом запирания при

P^*₁ 5P^*₂, (1)

где P^*₂ давление торможения воздуха на эжектируемом входе. Поскольку в данной конструкции значение P^*₂ равно атмосферному, неравенство (1) всегда выполняется, то есть эжектор будет наглухо заперт, а эжекторного охлаждения не произойдет. Чтобы "заставить" эжектор работать, необходимо снизить давление P^*₁, а это возможно только при снижении температуры горения, что равносильно очень низкому значению КПД. По этим причинам отмеченный прототип не сыграл никакой практической роли в развитии двигателестроения.

Задачей изобретения является повышение КПД.

Поставленная задача достигается тем, что в ДВС, содержащем соединенные газовую турбину и компрессор, камеру сгорания, соединенную с компрессором, эжектор, эжектирующий вход которого совмещен с сопловым выходом камеры сгорания, а выход соединен с газовой турбиной, и систему подачи топлива в камеру сгорания, установлен холодильник, вход которого соединен с компрессором, а выход с эжектируемым входом эжектора.

По имеющимся сведениям из патентной и научно-технической литературы, на данный момент неизвестен ДВС, содержащий соединенные газовую турбину и компрессор, камеру сгорания, соединенную с компрессором, эжектор, эжектирующий вход которого совмещен с сопловым выходом камеры сгорания, а выход соединен с газовой турбиной, и систему подачи топлива в камеру сгорания, в котором с целью повышения КПД был бы установлен холодильник, вход которого соединен с компрессором, а выход с эжектируемым входом эжектора.

В данной конструкции давление торможения эжектируемого воздуха P^*₂ путем подключения к промежуточному, или оконечному выходу компрессора может быть поднято вплоть до значения P^*₁. Это не только обеспечивает отпирание эжектора (невыполнение условия (1)), но и обеспечивает практически любой требуемый коэффициент эжекции

(2)

где G1 секундный массовый расход в эжектирующей струе;

G2 такой же расход эжектируемого газа [см.например, Л.И. Сeдов. Механика сплошной среды, том 2, М. Наука, 1970, стр. 113-121, рис. 55]

Таким образом, эффективность эжектора, выраженная через отношение смешиваемых масс газа, может быть установлена достаточно высокой. Однако охлаждающая эффективность эжектора, если бы его эжектируемый вход был бы напрямую соединен с компрессором, была бы малой из-за адиабатного разогрева воздуха на выходе компрессора. Включение в разрыв между компрессором и эжектором холодильника устраняет отрицательное влияние адиабатного разогрева и предельно повышает эффект эжекторного охлаждения. При этом может быть достигнута большая разность между температурой газа на выходе сопла (или, что то же самое, температурой сгорания) и температурой газа на выходе эжектора (на входе в турбину). Это обеспечивает возможность сжигать топливо при гораздо более высокой температуре (определяемой термостойкостью неподвижных деталей камеры сгорания), чем предел термостойкости газовой турбины. Реализация этой возможности равносильна повышению КПД двигателя. Таким образом, поставленная цель достигнута.

Из сказанного вытекает, что заявляемое техническое решение имеет уровень изобретения.

На чертеже представлена схема двигателя.

Двигатель содержит газовую турбину 1, компрессор 2, насос дозированной подачи топлива 3, камеру сгорания 4, эжектор 5, холодильник 6.

Двигатель работает следующим образом. Вращение турбины 1 через общий вал приводит в действие компрессор 2 и топливный насос 3. За счет их действия в камеру сгорания 4 от компрессора 2 подводится сжатый воздух, а от насоса 3 - топливо. Подводимые воздух и топливо образуют в камере сгорания 4 горючую смесь, которая воспламеняется и сгорает с резким повышением температуры. За счет этого повышения газ в струе непрерывно расширяется за счет увеличения скорости потока, которая на сопловом выходе из камера становится сверхзвуковой, то есть газовая струя на выходе приобретает огромную кинетическую энергию за счет энергии сгорания топлива. Однако эта струя имеет и очень высокую температуру при входе в эжектор 5 через его эжектирующий вход, связанный с камерой 4.

Одновременно сжатый и адиабатно разогретый воздух из компрессора 2 поступает в холодильник 6, где его температура понижается до атмосферного значения (около 300 К) и этот сжатый и охлажденный воздух поступает с выхода холодильника 6 на эжектируемый вход эжектора 5. Этот поток не имеет высокой кинетической энергии. В эжекторе 5 входные струи горячего и холодного воздуха смешиваются с осреднением скоростей, давлений и температуры в выходном смешанном потоке. В результате выходной поток из эжектора 5 имеет значительно более низкую температуру ( согласованную с термостойкостью турбины 1), чем на выходе из камеры сгорания 4, но имеет высокую кинетическую энергию, которая в эжекторе 5 почти полностью сохраняется (вязкие потери на механизмы молекулярного осреднения параметров в смешанной струе невелики).

Описанная энергоплотная струя с выхода эжектора 5 поступает в турбину 1, где ее кинетическая энергия при взаимодействии с рабочими лопатками турбины превращается в энергию вращений турбины и ее вала. Часть этой энергии непрерывно отводится на привод механизмов 2 и 3, остальная же часть (за вычетом потерь трения) снимается с вала двигателя в виде совершаемой полезной работы.

Термодинамический анализ описанной работы двигателя может быть проделан в рамках уже хорошо разработанных методов. Однако для настоящего описания такой анализ был бы слишком громоздок. Здесь можно ограничиться лишь указанием на его важнейшие следствия.

Термический КПД двигателя, как и любого другого теплового двигателя, подчиняется общей формуле

(3)

где To наименьшая (атмосферная) температура цикла;

Tmaх- наибольшая температура цикла, практически равная температуре сгорания;

F коэффициент непрямоугольности TS-диаграммы цикла

(T-температура, S-энтропия рабочего газа).

Отношение температур в (3) определяет т идеального (по циклу Карно) двигателя, который стремится к 1 по мере роста температуры сгорания Tmaх относительно To (около 300 К). Коэффициент F для реальных двигателей всегда меньше 1, т.е. КПД всех двигателей всегда меньше КПД гипотетического цикла Kарно.

Уменьшающий коэффициент F описанного двигателя несколько меньше такого же коэффициента для газотурбинного двигателя без эжектора. Указанное различие в значений F усиливается по мере роста разности температур

T = Tmax-Tp, (4)

где T- рабочая температура газа на входе в газовую турбину.

Однако, несмотря на падение F, общий т по (3) растет с ростом Tmax за счет опережающего роста отношения температур (роста идеального КПД). Поэтому при заданном (или достижимом) уровне Tp относительное повышение температуры сгорания Tmax всегда будет сопровождаться ростом КПД.

Вместе с тем, из (4) следует, что при заданном (или достижимом) уровне Tmax уменьшение термостойкости Tр газовой турбины сопровождается снижением т, по (3), что объясняется падением F при неизменном отношении температур в (3). Поэтому важно иметь не только высокое значение Tmax, но достаточно высокое значение Tp, т.е. достаточно термостойкую газовую турбину. Можно показать, однако, что в диапазоне реально достижимых температур фактор влияния температуры Tmax сильнее фактора Tp. Последнее обстоятельство имеет важное практическое значение в том смысле, что достаточно высокий уровень КПД может быть получен только за счет увеличения Tmax, а применение эжекторного охлаждения одновременно позволит снизить требования к уровню Tp, т.е. изготовить турбину из менее термостойких и дорогих материалом по более простой технологии. Соответствующий двигатель будет удешевлен, но все же достаточно эффективен.

Количественные расчеты показывают, что за счет увеличения компрессионного сжатия воздуха температуру Tmax можно поднять относительно Tp в несколько раз (более 2500 К). Практические ограничения здесь возникают из-за ограниченной термостойкости деталей воздушного компрессора и камеры сгорания. Однако даже при действии этих ограничений (а они могут быть снижены) открываемый данным решением резерв термического напора Tmax Tp столь велик, что он определяет уровень КПД, превышающий уровень лучших современных поршневых двигателей по циклу Дизеля.

В заключение важно подчеркнуть, что нет никаких принципиальных помех для применения описанного решения к турбореактивным двигателям (ТРД), которые в сущности представляют собой тот же газотурбинный двигатель, но с частичным использованием энергии газовой струи на привод турбины. Такое применение позволит резко повысить топливную экономичность ТРД, которая в современных конструкциях также сильно ограничена термостойкостью лопаток газовой турбины.