способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие воздуха в компрессорном цилиндре, перепуск его в камеру сгорания, сжигание в камере сгорания топлива, расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре и выпуск отработавших газов с охлаждением в рекуперативном теплообменнике и регенерацией тепла, отличающийся тем, что в камеру сгорания дополнительно вводят водяной пар и осуществляют закрутку рабочей смеси путем тангенциальной подачи воздуха, при этом водяной пар получают за счет использования тепла камеры сгорания при испарении воды, которую отделяют от охлажденных в теплопередающем газовом тракте рекуперативного теплообменника отработавших газов, фильтруют и подогревают перед испарением в водяном тепловоспринимающем тракте рекуперативного теплообменника при регенерации тепла отработавших газов.

2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один компрессорный цилиндр, выносную камеру сгорания, расширительные цилиндры, которые сообщены между собой посредством газораспределительного устройства, и рекуперативный теплообменник с теплопередающим и тепловоспринимающим контурами, вход которого по теплопередающему газовому тракту соединен с выпускным каналом отработавших газов расширительных цилиндров, отличающийся тем, что газораспределительное устройство выполнено в виде цилиндрического роторного золотника, внутри которого расположена выносная камера сгорания, дополнительно снабженная испарителем с паровыми соплами, при этом выход теплопередающего газового тракта рекуперативного теплообменника подключен к водяному тепловоспринимающему контуру, состоящему из последовательно включенных сепаратора выхлопных газов, конденсатосборника, фильтра, водяного насоса и водяного тепловоспринимающего тракта рекуперативного теплообменника, выход которого соединен с входом испарителя камеры сгорания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, в которых процессы сжатия и расширения протекают в разных цилиндрах.

Из уровня техники известны способы работы двигателя внутреннего сгорания, в которых производят сжатие воздуха в компрессорном цилиндре, сжигание рабочей смеси в камере сгорания и расширение продуктов сгорания в расширительных цилиндрах (см. патент СССР N 2275, кл. P 02 B 45/06, 1922 г.; Авт. св. СССР N 1288328, кл. F 02, G 3/00, 1987 г.). Основным недостатком известных способов является невысокий коэффициент полезного действия (КПД), что обусловлено значительными тепловыми потерями.

Наиболее близким к заявленному способу работы двигателя внутреннего сгорания является способ, включающий сжатие воздуха в компрессорном цилиндре, перепуск его в камеру сгорания и сжигание в ней топлива, расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре и выпуск отработанных газов с охлаждением в рекуперативном теплообменнике с регенерацией тепла (см. Авт. св. СССР N 1420218. кл. F 02 G 3/02, 1988 г. ). Использование тепла отходящих (отработанных) газов для подогрева воздуха повышает КПД рабочего цикла двигателя, однако недостатки в организации процесса сжигания топлива не позволяют в полной мере реализовать преимущества выносной камеры сгорания.

Известен также двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один компрессорный и один расширительный цилиндры, выносную камеру сгорания, связанную посредством газораспределительного устройства с компрессорным и расширительным цилиндрами, и рекуперативный теплообменник с теплопередающим и тепловоспринимающим контурами (см. Авт. св. СССР N 1420218, кл. F 02 G 5/02, 1988 г.). При этом вход рекуперативного теплообменника по теплопередающему газовому тракту соединен с выпускным каналом отработавших газов расширительного цилиндра, а тепловоспринимающий контур служит для подогрева воздуха, поступающего из атмосферы в компрессорный цилиндр, что обеспечивает регенерацию тепла отработавших выхлопных газов, но конструктивная сложность системы переключения режимов работы рекуперативного теплообменника и наличие регенератора, установленного в камере сгорания, снижают надежность и эффективность работы двигателя.

Изобретение направлено на повышение КПД и надежности работы двигателя внутреннего сгорания, характеризующимся разделением процессов сжатия и расширения по разным цилиндрам.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем сжатие воздуха в компрессорном цилиндре, перепуск его в камеру сгорания, сжигание в ней топлива, расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре и выпуск отработавших газов с охлаждением в рекуперативном теплообменнике и регенерацией тепла, согласно изобретению, в камеру сгорания дополнительно вводят водяной пар и осуществляют закрутку рабочей смеси путем тангенциальной подачи воздуха, при этом водяной пар получают за счет использования тепла камеры сгорания при испарении воды, которую отделяют от охлажденных в теплопередающем газовом тракте рекуперативного теплообменника отработавших газов, фильтруют и подогревают перед испарением в водяном тепловоспринимающем тракте рекуперативного теплообменника при регенерации тепла отработавших газов.

Кроме того, в двигателе внутреннего сгорания, содержащем по меньшей мере один компрессорный цилиндр, выносную камеру сгорания, расширительные цилиндры, которые сообщены между собой посредством газораспределительного устройства, и рекуперативный теплообменник с теплопередающим и тепловоспринимающим контурами, вход которого по теплопередающему газовому тракту соединен с выпускные каналом отработавших газов расширительных цилиндров, согласно изобретению, газораспределительное устройство выполнено в виде цилиндрического роторного золотника, внутри которого соосно расположена выносная камера сгорания, дополнительно снабженная испарителем с паровыми соплами, при этом выход теплопередающего газового тракта рекуперативного теплообменника подключен к водяному тепловоспринимающему контуру, состоящему из последовательно включенных сепаратора выхлопных газов, конденсатосборника, фильтра, водяного насоса и водяного тепловоспринимающего тракта рекуперативного теплообменника, выход которого соединен с входом испарителя камеры сгорания.

Предложенная организация процесса непрерывного горения рабочей смеси в многотопливной выносной камере сгорания с дополнительным введением водяного пара и закруткой рабочей смеси обеспечивает более полное сжигание любого вида топлива (газообразного, дизельного или бензинов), что при наличии регенерации тепла способствует повышению КПД рабочего цикла, а очистка выхлопных газов при сепарации из них воды, циркулирующей по тепловоспринимающему контуру, обеспечивает экологическую чистоту двигателя. Кроме того, конструктивное выполнение газораспределительного устройства в виде цилиндрического роторного золотника, совмещенного с выносной камерой сгорания, снабженной испарительной рубашкой, снижает тепловую напряженность и повышает надежность работы двигателя.

На чертеже представлен общий вид двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания содержит компрессорный цилиндр 1, расширительные цилиндры 2, камеру 3 сгорания, соосно расположенную внутри цилиндрического роторного газораспределительного золотника 4 с каналами 5 и 6 для впуска и выпуска воздуха и каналами 7 и 8 соответственно для впуска продуктов сгорания и выпуска отработавших газов, рекуперативный теплообменник 9, имеющий теплопередающий газовый тракт 10, вход которого сообщен с каналом 8 выпуска отработавших газов, а выход подключен к входному патрубку 11 сепаратора 12 выхлопных газов с образованием теплопередающего контура, и водяной тепловоспринимающий тракт 13, вход которого через водяной насос 14 и фильтр 15 сообщен с конденсатосборником 16 сепаратора 12, а выход подключен с образованием тепловоспринимающего контура к испарителю 17 камеры 3 сгорания, выполненному в виде пароводяной рубашки с паровыми соплами 18. Подвод воздуха производят через впускной патрубок 19, сообщенный с каналом 5 газораспределительного золотника 4, а выброс выхлопных газов в атмосферу осуществляет через выхлопной патрубок 20 сепаратора 12, который выполнен со скрубберной насадкой 21 и имеет контур 22 орошения. Топливо поступает в камеру сгорания по топливопроводу 23 и распыляется форсункой 24, а воздух подается через тангенциальный патрубок 25, сообщенный с каналом 6 газораспределительного золотника 4.

Двигатель при реализации заявленного способа работает следующим образом.

Сжатый в компрессорном цилиндре 1 воздух через выпускной канал 6 газораспределительного золотника 4 по патрубку 26 тангенциально поступает в выносную камеру 3 сгорания, закручивая поток рабочей смеси, образованной при перемешивании топлива, распыляемого форсункой 24, с воздухом и водяным паром, вводимым через паровые сопла 18 из испарителя 17. Образующиеся в результате непрерывного горения рабочей смеси газообразные продукты сгорания через впускной канал 7 посредством газораспределительного золотника 4, обеспечивающего заданную последовательность чередования тактов (процессов) расширения, равномерно распределяются по расширительным цилиндрам 2, где совершают полезную работу. Отработавшие газы, содержащие водяной пар, через выпускной канал 8 посредством газораспределительного золотника 4 перепускают в теплопередающий контур, где, проходя через теплопередающий газовый тракт 10 рекуперативного теплообменника 9, они охлаждаются ниже точки росы водяного пара и затем в виде парогазовой смеси, содержащей капли конденсата, поступают через входной патрубок 11 в сепаратор 12, включенный в тепловоспринимающий контур. Отсепарированные и очищенные в скрубберной насадке 21 от твердых частиц - продуктов неполного сгорания выхлопные газы через выхлопной патрубок 20 выбрасываются в атмосферу, а отделенная капельная вода стекает в конденсатосборник 16, откуда воду через фильтр 13 с помощью водяного насоса 14 направляют на вход водяного тепловоспринимающего тракта 13 рекуперативного теплообменника 9, в котором она подогревается в процессе регенерации тепла отработавшими газами, и затем возвращают в испаритель 17, где вода за счет тепла, выделяющегося в камере 5 сгорания, превращается в пар, который через паровые сопла 18 снова подают в камеру 3 сгорания.