способ преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в механическую и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в механическую в поршневых двигателях путем сжатия топливно-воздушной смеси и создания условий для превращения химической энергии топлива в тепловую с последующим преобразованием ее в механическую, отличающийся тем, что сжатию подвергают топливно-воздушную смесь с содержанием топлива, меньшим нижнего предела ее воспламенения, а условия для превращения химической энергии топлива в тепловую обеспечивают путем создания степени сжатия более 25.

2. Устройство для преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в механическую, включающее свободный поршень, движущийся в цилиндрическом корпусе, снабженном впускными и выпускными клапанами, и механизм передачи энергии к внешней нагрузке, отличающееся тем, что цилиндрический корпус выполнен подвижным с возможностью поступательного или вращательного движения и соединен через приводы однонаправленного действия с двумя вращающимися в противоположных направлениях маховиками, связанными между собой и внешней нагрузкой единой трансмиссией, при этом масса или момент инерции свободного поршня, выполненного с возможностью поступательного или вращательного движения, составляет не менее 0,5 от массы или момента инерции цилиндрического корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к устройствам для преобразования химической энергии в механическую, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС).

Известны многочисленные способы преобразования химической энергии в механическую, в том числе путем сжигания углеводородных и иных топлив в ДВС. Одна из основных проблем заключается в организации экологически чистого горения, т.е. уменьшения в выхлопных газах ДВС таких вредных примесей, как окислы азота и окись углерода. В современных ДВС [1] для этих целей организуется горение топливно-воздушных смесей бедного состава, что позволяет снизить температуру горения и в конечном счете снизить концентрацию вредных веществ в выхлопе. Однако данный метод не обеспечивает достаточного эффекта и, кроме того, возникают проблемы с воспламенением смесей бедного состава и их устойчивым горением.

Известно, что облегчение воспламенения бедных топливно-воздушных смесей можно достичь при увеличении степени сжатия горючей смеси. Известные ДВС не позволяют достичь высоких степеней сжатия из-за недостаточной механической прочности обычных конструкций и из-за ограничения, связанного с возможностью возникновения детонационного режима горения.

Конструкции ДВС со свободным поршнем, например, [2,3] в принципе позволяют значительно повысить степень сжатия топливно-воздушной смеси, но такой задачи в этих решениях не ставилось.

Кроме того, в известных двигателях [2,3] передача кинетической энергии свободного поршня в нагрузку для свободнопоршневого ДВС решается сложным способом, например, с помощью пневматической [2] или гидравлической системы [3] . Подчеркнем, что во всех известных ДВС для преобразования химической энергии топлива в механическую используется процесс горения.

Наиболее близкими к предлагаемым способу и устройству являются свободнопоршневой двигатель-компрессор и способ превращения химической энергии топливно-воздушной смеси в нем в механическую [4].

В известном способе [4] химическая энергия топливно-воздушной смеси превращается в механическую следующим образом: предварительно обеспечивается достаточно высокая степень сжатия (максимально 20-кратная степень сжатия), однако после сжатия смесь в способе [4] для утилизации химической энергии топлива, как и в других известных способах, подвергается сжиганию при высокой температуре, что неизбежно приводит к экологически вредному выхлопу. Механическая работа совершается при расширении продуктов сгорания.

Известное устройство [4] включает два свободных поршня, движущихся в противоположных направлениях в одном неподвижном цилиндре, снабженном впускным и выпускными клапанами (окнами). Для передачи кинетической энергии поршней к внешней нагрузке двигатель оснащен сложной пневматической системой, использующей сжатый воздух. Серьезной проблемой является организация синхронного движения поршней.

Задачей предлагаемого изобретения является создание такого способа преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в механическую, при реализации которого содержание вредных компонентов в выхлопных газах было бы меньше, чем в существующих ДВС, и разработка устройства для осуществления предлагаемого способа, отличающегося простотой, высокими техническими характеристиками и повышенной эффективностью утилизации химической энергии топлива.

Решение поставленной задачи достигается

предлагаемым способом преобразования химической энергии топливно-воздушной смеси в механическую в поршневых двигателях путем сжатия топливно-воздушной смеси и создания условий для превращения химической энергии топлива в тепловую с последующим преобразованием ее в механическую, в котором сжатию подвергают топливно-воздушную смесь с содержанием топлива, меньшим нижнего предела ее воспламенения, а условия для превращения химической энергии топлива в тепловую обеспечивают путем создания степени сжатия более 25,

и устройством для его реализации, включающим свободный поршень, движущийся в цилиндрическом корпусе, снабженном впускным и выпускным клапанами и механизмом передачи энергии к внешней нагрузке, в котором цилиндрический корпус выполнен подвижным с возможностью поступательного или вращательного движения и соединен через приводы однонаправленного действия с двумя вращающимися в противоположных направлениях маховиками, связанными между собой и внешней нагрузкой единой трансмиссией, при этом масса или момент инерции свободного поршня, выполненного с возможностью поступательного или вращательного движения, составляет не менее 0,5 от массы или момента инерции цилиндрического корпуса.

Предлагаемые способ и устройство для его реализации были разработаны на основе детальных экспериментальных исследований взаимосвязи таких параметров способа, как состав топливно-воздушной смеси, степень сжатия смеси и ее температура.

Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление возможности проведения химических реакций с выделением тепла без режима горения в бедных топливно-воздушных смесях при их сжатии свободным поршнем до определенной степени сжатия - свыше 25. Топливно-воздушная смесь должна быть очень бедного состава, лежащего ниже нижнего предела ее воспламенения (концентрация углеводородного топлива не выше 2-3%). Высокие степени сжатия, порядка 25 и выше, практически недостижимы в существующих ДВС из-за ограниченной механической прочности поршневой группы, но могут быть реализованы в устройстве со свободным поршнем. При достижении степени сжатия более 25 давление сжатого газа повышается до величины свыше 100-200 атм, а температура топливно-воздушной смеси повышается равномерно по всему объему до 800-1000К. При такой температуре происходит химическое превращение топливно-воздушной смеси сколь угодно бедного состава за время t_хр (время химической реакции) порядка t_хр=1 мс и меньше. Это время должно быть сопоставимо (одного порядка) с временем пребывания поршня (t_п) в области максимального сжатия (в "верхней мертвой точке": ВМТ) топливно-воздушной смеси и при этом должно выполняться условие t_п>t_хр Для обеспечения необходимого времени нахождения поршня в ВМТ, достаточного для завершения превращения химической энергии топлива в тепловую и обеспечения оптимального преобразования тепловой энергии в механическую энергию движения цилиндрического корпуса, массы (моменты инерции) поршня и цилиндра должны быть сопоставимы, а именно ( согласно проведенным расчетам), масса (момент инерции) поршня должна составлять не менее 0,5 от массы цилиндрического корпуса. С учетом данных ограничений рассчитываются параметры устройства, что является стандартной задачей химической кинетики и газовой динамики.

В отличие от режима горения скорость химического превращения топливно-воздушной смеси очень бедного состава при объемном тепловыделении при сжатии более чувствительна к различным промоторам и ингибиторам, и, следовательно, процесс выделения химической энергии может быть легко контролируем во времени. Это позволяет оптимизировать энергетические характеристики процесса, увеличить индикаторный КПД.

Полученные нами результаты позволили предложить способ преобразования химической энергии топливно-воздушных смесей в механическую и устройство для его реализации, принципиально отличающиеся от известных.

При высоком коэффициенте избытка воздуха, превышающем в 3-4 раза количество воздуха в смесях стехиометрического состава, конечная температура при завершении химических реакций в 1,5-2 раза ниже, чем в обычных ДВС, и это обеспечивает существенное снижение (в десятки и сотни раз) концентрации окислов азота в выхлопных газах. Избыток окислителя приводит к значительному уменьшению и окиси углерода. В отличие от процесса горения смеси в цилиндре ДВС, где неравномерное смешение топлива с воздухом приводит к неполному сгоранию топлива и, следовательно, к ухудшению экономических и экологических характеристик двигателя, предлагаемый способ утилизации химической энергии обеспечивает высокую полноту химического превращения по всему объему сжимаемого газа, поскольку скорость процесса слабо зависит от локальной концентрации топлива. В смесях, не способных к самостоятельному горению, отсутствует и такое вредное явление, проявляющееся в ДВС, как детонационный режим горения, расширяется класс возможных топлив. Для смеси с большим избытком окислителя снижаются требования к продувке цилиндра перед его заполнением свежей порцией смеси. Это упрощает конструкцию устройства, делает эффективным использование двухтактного цикла работы устройства. Из-за снижения рабочей температуры уменьшаются тепловые потери, а увеличенный рабочий ход свободного поршня по сравнению с ДВС позволяет уменьшить температуру "холодильника" и тем самым увеличить термодинамический КПД устройства. Важным достоинством устройства является возможность регулирования его мощности в более широком диапазоне изменения состава смеси. При работе устройства с несколькими цилиндрами отсутствует необходимость синхронизации движения поршней, а балансировка устройства достигается соответствующим выбором масс цилиндра и поршня и использованием многосекторных сбалансированных роторов.

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа в a) линейном и b) роторном вариантах.

Устройство (линейное или роторное) содержит цилиндрический корпус 1, выполненный подвижным с возможностью поступательного или вращательного движения, с впускными 7 и выпускным 8 (электромагнитными или иными) клапанами, в котором может свободно перемещаться поршень 6, при этом масса (момент инерции) свободного поршня, выполненного с возможностью поступательного или вращательного движения, составляет не менее 0,5 от массы (момента инерции) цилиндрического корпуса, причем цилиндрический корпус связан через приводы 2 и 3 однонаправленного действия с двумя вращающимися в противоположных направлениях маховиками 4 и 5, связанными между собой и внешней нагрузкой единой трансмиссией 9.

Возможна реализация многоцилиндровой системы при объединении и одновременном использовании нескольких подобных устройств при их работе на общую нагрузку.

Устройство работает следующим образом.

Поршень (ротор) при своем возвратно-поступательном (возвратно-вращательном) движении сжимает воздух, например, в левой полости устройства, в которую через впускной клапан 7 во время такта сжатия впрыскивается топливо. При адиабатическом сжатии топливно-воздушной смеси бедного состава, не способной к самостоятельному горению, происходит ее нагрев до высокой температуры порядка 600- 1000К. В результате нагрева скорость реакций химического превращения возрастает по экспоненциальному закону и происходит объемное выделение тепловой энергии, приводящее к дополнительному увеличению давления сжатого газа. Поршень (ротор) и цилиндр (цилиндрический корпус) начинают двигаться в противоположных направлениях. В момент прохождения поршнем выпускного клапана 8 последний открывается и происходит истечение продуктов химической реакции из левой полости и ее продувка воздухом через открывающийся впускной клапан 7. Поршень при своем дальнейшем движении совершает аналогичный цикл в правой полости устройства. Цилиндр (цилиндрический корпус) при своем движении влево (вращение корпуса по часовой стрелке) передает свое движение через привод 2 маховику 4 и далее через трансмиссию, связывающую все маховики, в нагрузку. Подобным образом передается движение цилиндра в правом направлении (вращение корпуса против часовой стрелки) через привод 3 маховику 5. Рассмотренный режим работы состоит из двух тактов: сжатие с впрыском топлива - рабочий ход с продувкой. Возможна также работа устройства в режиме четырех тактов: продувка-впрыск топлива-сжатие-рабочий ход.

Использование изобретения позволит добиться превращения химической энергии топлива в механическую при существенном уменьшении вредных компонентов в продуктах химического превращения, увеличить полноту химического превращения, расширить класс используемых топлив и за счет снижения тепловых потерь, увеличения термодинамического КПД и упрощения конструкции устройства повысить его эффективность.

Список литературы

1. О. И.Жегалин и др. Снижение токсичности автомобильных двигателей.-М: Машиностроение, 1985.

2. Авт. св. SU 2002084, кл. F 02 В 53/00, 1993.

3. Патент США 4966000, кл. F 02 В 71/04, 1992.

4. Ю.Н.Васильев и др. Свободнопоршневые двигатель-компрессоры для газовой промышленности. Газовая промышленность N2, стр. 17, 1992 - прототип.