Комбинированный двигатель с роторно-поршневым газогенератором

Использование: в энергетических, компрессорных, насосных установках, транспортных машинах. Цель: уменьшение удельного расхода топлива и выброса вредных веществ в окружающую среду, а также улучшение весогабаритных характеристик и экономических параметров комбинированного двигателя. Сущность полезной модели: для более эффективного использования энергии продуктов сгорания топлива роторно-поршневого газогенератора благодаря предварительному наддуву газогенератора (т.е. двухступенчатому сжатию воздуха) и двухступенчатому расширению продуктов сгорания топлива (в газогенераторе и расширительной машине) до атмосферного давления применен нагнетатель, кинематически связанный с валом газогенератора, а в качестве силовой расширительной машины применена расширительная машина (лопаточного или объемного типа), кинематически не связанная с валом газогенератора.. Положительный эффект: улучшение экономических и весогабаритных характеристик комбинированного двигателя за счет применения легкого, совершенного, высокооборотного роторно-поршневого газогенератора, обеспечивающего работу силовой расширительной машины. Агрегатная мощность комбинированного двигателя может увеличиваться за счет увеличения количества роторно-поршневых газогенераторов, одновременно работающих в комбинации с одной силовой расширительной машиной. Но, при работе комбинированного двигателя с малыми нагрузками отдельные газогенераторы выключают, достигая в этом случае экономии топлива и ресурса и еще более высокой экономичности силового агрегата, т.к. работающие газогенераторы функционируют на оптимальном по экономичности режиме.

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности, к комбинированным двигателям внутреннего сгорания.

Существуют различные типы двигателей внутреннего сгорания. Это поршневые двигатели, турбопоршневые, свободно-пошневые, роторно-поршневые, двухтактные, четырехтактные и др.

При работе любого двигателя внутреннего сгорания фактически происходит неполное расширение продуктов сгорания, и при выпуске их из двигателя в атмосферу давление остается высоким, и создается большой шум. Это требует применения глушителя, поглощающего более 25% энергии выхлопных газов.

Создатели двигателей внутреннего сгорания давно пришли к выводу о целесообразности передачи газовой турбине роли дополнительной расширительной машины в комбинированном турбопоршневом двигателе (ТПД), передающей утилизированную энергию на выходной вал двигателя или на вал нагнетателя воздуха с целью получения большей мощности, используя тем самым ТПД как генератор рабочего тела (газа) для такой расширительной машины.

Благодаря расширению в свободной расширительной машине (газовой турбине) до атмосферного давления с совершением полезной работы продукты сгорания используются более эффективно - для осуществления турбонаддува или увеличения мощности двигателя, что является отличительной особенностью и преимуществом комбинированных двигателей по сравнению с простыми двигателями внутреннего сгорания. Наддув комбинированного двигателя осуществляется также от нагнетателя, имеющего механический привод от вала двигателя. Эффективность комбинированных двигателей с наддувом выше, чем простого ДВС и газотурбинного двигателя (ГТД) в отдельности.

Однако, из-за высокого давления сгорания, получаемого при высоком давлении наддува, увеличивается возможность быстрого разрушения двигателя с поршнями, шатунами, коленчатым валом. Поэтому применение такого двигателя в качестве эффективного генератора газов оказывается проблематичным. Кроме того, комбинированные поршневые двигатели остаются тяжеловесными, с большим количеством деталей движения, и от такой комбинации эффект получается небольшой. В итоге проблема более эффективного использования энергии топлива в двигателях внутреннего сгорания осталась до настоящего времени не решенной.

Целью полезной модели является уменьшение удельного расхода топлива и выброса вредных веществ в окружающую среду, а также улучшение весогабаритных характеристик комбинированного двигателя.

Эта цель достигается за счет применения в качестве газогенератора более легкого, имеющего на 40% меньше деталей, компактного и простого роторно-поршневого двигателя (РПД), в котором предлагается одновременно с увеличением заряда воздуха с помощью его предварительного высокого сжатия в наддувочном нагнетателе также обеспечить более полное расширения продуктов сгорания после двигателя с совершением полезной работы в силовой расширительной машине.

Так как при высоком наддуве роторно-поршневого двигателя максимальное давление сгорания топлива существенно превышает давление сгорания обычного поршневого двигателя, а расширение продуктов сгорания внутри РПД не может быть полным, то эффективное и полное расширение продуктов сгорания с совершением полезной работы проходит не только внутри роторного-поршневого двигателя, но и во внешней расширительной машине, выполняющей роль основного силового агрегата. Роторно-поршневой двигатель служит в качестве генератора газов, а также в качестве привода механического нагнетателя.

Таким образом, процессы сжатия и расширения в предлагаемом двигателе проходят по две стадии и в разных агрегатах комбинированного двигателя: внешнее сжатие воздуха - в нагнетателе, внутреннее сжатие - в двигателе (газогенераторе); затем (после сгорания топлива) - внутреннее расширение продуктов сгорания с совершением механической работы для привода нагнетателя и внешнее расширение продуктов сгорания в отдельной расширительной машине с совершением полезной механической работы.

В таком варианте можно иметь высокие параметры процесса сгорания топлива - максимальное давление сгорания топлива в роторно-поршневом газогенераторе (РПГГ) может превосходить давление сгорания обычного поршневого двигателя, ограниченного из-за наличия шатунов, клапанов, подшипников коленчатого вала, других деталей и неблагоприятного распределения сил в верхней мертвой точке поршня при такте сгорания. Предлагаемый цикл работы РПГГ позволяет получить высокое давление продуктов сгорания на входе в расширительную машину.

В качестве силовой расширительной машины, механически не связанной с валом газогенератора, предполагается применить машину лопаточного типа (газовую турбину) или объемного типа. В зависимости от получаемого давления на выходе из газогенератора и необходимости расширения продуктов сгорания до давления окружающей среды расширительная машина может быть многоступенчатой. Выбор той или иной силовой расширительной машины будет определяться требованиями по мощности, весу и габаритам, экономичности, экологичности, крутящему моменту на выходном валу силовой установки.

Если в простом роторно-поршневом двигателе выхлопные газы расширяются не полностью, то в предлагаемом комбинированном двигателе расширение газов до атмосферного давления происходит в силовой расширительной машине, частично заменяющей глушитель.

Полезная модель поясняется чертежом-схемой.

Комбинированный двигатель по схеме а) состоит из роторно-поршневого нагнетателя (1), охладителя сжатого воздуха (2), роторно-поршневого газогенератора (3), силовой газовой турбины (4).

Комбинированный двигатель по схеме б) состоит из роторно-поршневого нагнетателя (1), охладителя сжатого воздуха (2), роторно-поршневого газогенератора (3), силовой роторно-поршневой расширительной машины (4).

РПГГ с нагнетателем воздуха можно рассматривать как агрегат, заменяющий собой турбокомпрессор и камеру горения газотурбинного двигателя, но работающий по сравнению с ними более экономично. Целесообразность замены турбокомпрессора и камеры сгорания в ГТД на РПГГ с наддувом очевидна. Удельный расход топлива комбинированного двигателя с РПГГ вследствие увеличения заряда воздуха и более полного расширения продуктов сгорания находится на уровне дизельного двигателя, а удельный вес - на уровне ГТД.

Важная особенность комбинированного двигателя - многотопливность (бензин, авиационный керосин, дизельное топливо, сырая нефть, газовый конденсат, природный газ, водород и др.).

РПГГ сохраняет преимущества РПД - отсутствие шатунов, коленчатого вала, газораспределительного механизма и клапанов, синхронизирующего механизма и мертвых точек при движении поршня. Вес и габариты такого генератора газов меньше веса и габаритов свободнопоршневого газогенератора той же мощности.

При необходимости создания комбинированных двигателей большой агрегатной мощности и обеспечения работы одной силовой расширительной машины большой мощности несколько одинаковых РПГГ группируются в двигателе. Но, при работе с малыми нагрузками отдельные РПГГ комбинированного двигателя отключают, обеспечивая еще более высокую экономию топлива и ресурса энергетической установки. В этом случае работающие РПГГ функционируют на оптимальном по экономичности режиме, а остановленные РГГ не расходуют топливо и ресурс. Кроме того, применение охладителя воздуха после нагнетателя также повышает экономичность установки.

При необходимости создания комбинированных двигателей большой агрегатной мощности и обеспечения работы одной силовой расширительной машины большой мощности несколько одинаковых РПГГ группируются в двигателе. Но, при работе с малыми нагрузками отдельные РПГГ комбинированного двигателя отключают, обеспечивая еще более высокую экономию топлива и ресурса энергетической установки. В этом случае работающие РПГГ функционируют на оптимальном по экономичности режиме, а остановленные РГГ не расходуют топливо и ресурс. Кроме того, примеение охладителя воздуха после нагнетателя также повышает экономичность установки.

1. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из роторно-поршневого газогенератора, вся механическая энергия которого расходуется на предварительное сжатие воздуха (наддув), и преобразователя-утилизатора энергии выхлопных газов - силовой расширительной машины для полного расширения продуктов сгорания, отличающийся тем, что в качестве нагнетателя для предварительного сжатия воздуха (наддува) применен роторно-поршневой нагнетатель с приводом от вала газогенератора, а в качестве силовой расширительной машины применена газовая турбина.

2. Комбинированный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве нагнетателя для предварительного сжатия воздуха (наддува) применен центробежный нагнетатель, кинематически связанный с валом газогенератора.

3. Комбинированный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве механического нагнетателя для предварительного сжатия воздуха (наддува) применен спиральный компрессор, имеющий привод от вала газогенератора.

4. Комбинированный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве силовой расширительной машины применена объемная роторно-поршневая расширительная машина.

5. Комбинированный двигатель по п.1, отличающийся тем, что применена объемная спиральная расширительная машина с более полным и плавным расширением продуктов сгорания.

6. Комбинированный двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что применен промежуточный охладитель воздуха после нагнетателя.

7. Комбинированный двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что применены одновременно несколько газогенераторов с механическим наддувом, обеспечивающих работу одной силовой расширительной машины.

8. Комбинированный двигатель по п.7, отличающийся тем, что применена многоступенчатая расширительная машина.