Двигатель внутреннего сгорания

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТ ИЧЕСКРЕСПУБЛИК 2(19 51)5 К 02 Л 5 О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯА ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство ГССРИф 1449690, кл. Р 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, коленчатьйвал, систему охлаждения поршня 2 сфорсункой 5 подачи мелкодисперсноготеплоносителя в полость 6 охлаждения поршня 2, по меньшей мере одну паруреактивных сопел 10, термоэлектрическую батарею (ТБ) 13 и турбоэлектрогенератор (ТЭ) 14 двустороннего действия. При работе двигателя кинетическая энергия утилизируется в тЭ 14,прикрепленном к штоку 3 поршня 2 ичастично заполненном жидкостью, которая при перемещении штока вращаетрабочее колесо турбины, передающейвращение на электрогенератор,Вырабатываемый ТЭ 14 электрический ток нодается в ТБ 13, в которой с помощьюгорячих н холодных спаев осуществляется преобразование тепловой и электрической энергии и улучшаются процессы теплопередачи и утилизации теплоты сгорания топлива в рабочей полости. 8 ил.Изобретение относится к машиностроению, а именно двигателестроению, может. быть использовано для утилизации тепловой и кинетической. энергии двигателя внутреннего сгоранияи является усовершенствованием изобретения по авт.св. Р 1449690.Цель изобретения - повышениеудельной мощности двигателя путем использования кинетической энергии,.же, продольный разрез; на фиг,4 реактивные сопла; на фиг.5 - турбоэлектрогенератор; на фиг. б - развертка рабочего колеса и направляющих аппаратов турбоэлектрогенератора; на фиг, 7 - термодинамнческийцикл, двигателя; на фиг,8 - термоэлектрическая батарея..Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1, полый поршень 2,шток 3, коленчатый вал 4, системуохлаждения поршня 2 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного теплоносителяв полость 6 охлаждения поршня 2, магистралью 7 отвода пара из полостиб в конденсатор 8 и насосом 9 подачи теплоносителя, одну пару реактивных сопел 10 с входными патрубками11 и выходными соплами 1 2, термоэлектрическую батарею 13 и турбоэлектрогенератор 14 двустороннегодействия. Цилиндр 1 двигателя установлен на картере 15 и отделен отнего перегородкой, Полый поршень 2размещен в цилиндре 1 с образованиемрабочей и подпоршневой полостей 1 6 и17Шток 3 связан с поршнем 2, а ко"ленчатый 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 элемент22 с форсункой 5 подачи мелкодисперсного распылителя,Реактивные сопла 10 выполнены ввиде участка магистрали 7 отвода нара, прикреплены к штоку 3 в подпоршневой полости 17 параллельно егооси 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 7отвода пара, а конденсатор 8 размещенв подпоршневой полости 17. Входнойпатрубок 11 каждого сопла 10 выполнен с полым .центральным стержнем 26,снабженным боковым отверстием 27 иупорами 28, а инерционные золотники25 выполнены в виде подвижной шайбы,размещенной между упорами 28 на поломцентральном стержне 26 с возможностьюперекрытия бокового отверстия 27 присвоем перемещении,Термоэлектрическая батарея 13прикреплена холодными спаями 29 кднищу 30 поршня 2 в его полости 6охлаждения и связана через электрическую цепь с турбоэлектрогенератаром 14, причем последний размещен взамкнутом корпусе 31, частично заполненном рабочей жидкостью и прикрепленном к штоку 3 в подпоршневойполости 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 ап"парат которой выполнен в виде двухрядов лопаток 35 и 36, расположенныхс двух сторон рабочего колеса 34.Горячие спаи 37 термоэлектрическойбатареи 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,40 а рабочая температура 1000-1200 К.Эти модули работоспособны при вибрациях в диапазоне частот 5-1000 Гцпри ускорении до 1 Оя, ударах с ускорением до 50 Р., усилиях прижима до10-15 кгс/см , акустических шумах вдиапазоне частот 20-10000 Гц с интенсивностью звуковых колебаний свыше .130 дВ, Важным параметром термоэлектрической батареи 39, определяющим коэффициент преобразования.тепловогонасоса, является добротность полупроводниковых материалов, из которыхизготовлены полупроводниковые элементы 40 и 41. В настоящее время добротность может достигать 110 КДвигатель работает следующим образом,Преобразование теплоты сгораниятоплива в механическую работу осу92 Температура т холодных спаев 29ниже 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 37выше температуры рабочей среды в полости 6 охлаждения поршня 2 и тепловой поток, подводимый к мелкоднсперсному теплоносителю, подаваемому форсункой 5 на горячие спаи 37,увеличивается вследствие возрастания температурного напора между днищем 30поршня 2 и теплоносителем. При этомтеплоносителю в полости 6 охлаждения передается не только теплота,отводимая от рабочей среды в рабочейполости 16, ио и теплота, эквивалентная работе, совершаемой электрическим током в термоэлектрической батарее 13. 5 5484ществляется в результате совершенияв двигателе комбинированного термодинамического цикла, состоящего израбочего цикла а-Ь-с-а фиг.7) дизеля, теплонасосного цикла е-Г-ц-Ь-е5и паросилового цикла -Ы-Хш-п-о При этом рабочий цикл а-Ъ-с-й-а осуществляется в рабочей полости 1 б,теплонасосный цикл е-Г-д-Ъ-е - в термоэлектрической батарее 13, а паросиловой цикл -К-Х-ш-и-о-д - в подпоршиевой полости 17.Рабочий цикл а-Ь-с-й-а. состоит иэ следующих процессов: 15п роцесса а-Ь, являющего ся процессом сжатия; процесса Ъ-с,являющегося процессом подводатеплоты, процесса с-й, являющегосяпроцессом расширения, и процесса й-а, 20являющегося процессом отвода теплоты, Результатом этого цикла являетсятрансформация теплоты сгорания топлива в механическую работу: в процессес-й расширения сила давления газов 25в рабочей полости 16 передается напоршень 2, а затем через шток 3,крейцкопф 19 и шатун 18 на коленчатый вал 4. Другим результатом рабочего цикла а-Ь-с-Й-а является отбросная теплота, которая частично утилизируется в паросиловом цикле х-кш-и-о-ь.;Отбросная теплота рабочего циклаа-Ъ-с-й-а частично передается через35днище 30 поршня 2 для утилизации.Приэтом обеспечивается интенсификациятеплопередачи и снижение необратимыхпотерь теплопередачи за счет осуществления термоэлектрической батареей 4013 теплонасосного цикла е-Г-р-Ъ-е,коэффициент преобразования которогопропорционален плотности передаваемого из рабочей полости 16 тепловогопотока45Теплонасосный цыкал е-Г-ц-Ь-е состоит из следующих процессов: процесса е-Г, соответствующего протеканиюнекоторого количества электричествапо холодному спаю 29; процесса Г-К,характеризуемого изменением количества электричества, которое происходитв результате движения тока через полупроводниковый элемент 39 с.р-проводимостью от холодного спая 29 кгорячему спаю 37; процесса 1-Ъ,соответствующего протеканию некоторогоколичества электричества по горячему спаю 37; процесса Ь-е, характери,зуемого изменением количества электричества, которое происходит в результате движения тока через полупроводниковый элемент 38 с и-проводимостью от горячего спая 37 к холод-. ному спаю 29.Возвратно-поступательное перемещение штока 3 и жестко связанного с ним корпуса 31 преобразуется в непрерывное вращение электрогенератора 33 за 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 турбоэлектрогенератором 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 ток 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, 1548492Теплопереход в самой термоэлектрической батарее 13 обеспечиваетсякак обычным путем . теплопроводности,так и переносом,теплоты носителямиэлектрического тока полупроводниковых элементов 38 и 39.Паросиловой цикл з.-1-1-ш-п-о-состоит из следующих процессов:процесса -К.-ш, являющегося процессом подвода теплоты термоэлектрической батареей 13; процесса ш-п,являющегося процессом расширения па, ра в реактивных .соплах 10; процессап-о, являющегося процессом отводатеплоты в конденсаторе 8, и процессао-х, являющегося процессом сжатиятеплоносителя в насосе 9. Результатом этого цикла является трансформация отбросной теплоты в механическуюработу, происходящая следующим образомм.С помощью насоса 9 через его напорный трубопровод 21 и телескопический элемент 22 жидкий теплоноситель подается в форсунку 5, котораяобеспечивает подачу теплоносителяв виде мелкодисперсной жидкой фазыв полость 6 охлаждения на горячиеспаи . 37 термоэлектрической батареи13В полости б мелкие капли теплоносителя нагреваются и испаряются,Перегретый пар из полости б черезмагистраль 7 в штоке 3 заполняетобщий корпус 24 входных патрубков 11и реактивных сопел 10,При движении поршня 2 вниз инерционный золотник,25 прижат к одномуупору 28, а другой инерционный золотник 25 прижат к своему упору 28,При этом одни боковые отверстия 27открыты, а другие боковые отверстия27 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 движенияпоршня 2 и на коленчатом валу 4 создается дополнительный .вращающиймомент, При движении поршня 2 вверхвсе происходит наоборот,При увеличении подвода теплоты израбочей полости 16 вследствие увеличения цикловой подачи топлива обороты коленчатого вала 4 увеличиваются,соответственно возрастает электрический ток электрогенератора 33. Повышаются температурные напоры, обеспечи 4ваемые работой термоэлектрической батареи 13, увеличивается плотностьтеплового потока, передаваемого черезднище 30 поршня 2 во внутреннюю по 5лость 6 охлаждения, и полезная работапаросилового цикла з.-К-ш-п-о- возрастает,Возможны различные соотношениятемператур рабочей среды в рабочейполости 16 и теплоносителя во внутренней полости 6, Температура Тг горячих спаев 37 может быть как ниже,так и вьппе температуры рабочей средыв рабочей полости 1 б. Одновременнотемпература Т холодных спаев 29 может быть как ниже, так и выше температуры теплоносителя во внутреннейполости 6 охлаждения,Эффективность работы термоэлектрической батареи 13 оценивается отношением теплоты, подводимой к теплоносителю в полости 6, к затраченнойработе электрического тока,вырабатываемого электрогенератором 33, и при25 высокой добротности термоэлектрической батареи 13 и не слишком большойразности температур горячих и холодных спаев 37 и 29 это отношение (отопительный коэффициент) может дости"30 гать 10-121, Это Означает, что затрачиваемая для интенсификации теплопередачи через днище 30 поршня 2электроэнергия составляет всего 8 -10 Х От передаваемой теплоты, причем35 знячительняя часть электроэнергиивозобновляется за счет преобразования теплоты в механическую работуреактивными соплами 10.1 40 Возможна также эфФективная теплопередача через днище 30 поршня 2,когда температура теплоносителя полости б вьппе температуры в рабочейполости 16. Коэффициент преобразования термоэлектрической батареи,13 ив этом случае достаточно высок.Повышение температурных напоров в рядеслучаев одновременно увеличивает коэффициент теплоотдачи, что еще больШЕ УВЕЛИЧИВЯЕТ ПЛОТНОСТЬ ТЕПЛОВОГОпотока через днище 30 поршня 2По сравнению с известными устройствами интенсивность теплопередачииз рабочей полости 16 в полость 6 55охлаждения может быть увеличена в, 5-6 раз, Однако удельную мощностьдвигателя не следует повышать болеечем в 2-3 раза ввиду увеличения долиневозобновляемых затрат электроэнер 1548492 30гии, 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 7,Формула н з обретенияДвигатель внутреннего сгорания по авт. св. 9 1449690, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения удельной мощности путем использования кинетической энергии, улучшения теплопередачн и повышения энергии пара, двигатель дополнительно снабжен термоэлектрнческой батареей и турбоэлектрогенератором двустороннего действия,тер"моэлектрическая батарея прикрепленахолодными спаями к днищу поршня вего полости охлаждения и связана через электрическую цепь с турбоэлектрогенератором, причем последний размещен в замкнутом корпусе, частичнозаполненном рабочей жидкостью и прикрепленном к штоку в подпоршневой полости параллельно осн штока, и выполнен в виде двусторонней турбины иэлектрогенератора, кинематически связанного с рабочим колесом турбины,направляющий аппарат которой выполнен в виде двух рядов лопаток,расположенных с двух сторон рабочего колеса.11548492 Раг Ф г,2 Фиг. И 39 Ю т,аг.8 едактор Л,Зайцев Тирам 432 Подписноесударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Заказ 1 В Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород,гарина, 101 ставитель ВоКо хред А.Кравчук ов Корректор В,Кабане