Способ преобразования тепла в работу и устройство для его осуществления - RU2208687C2
Код документа: RU2208687C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к способу преобразования тепла в работу и к устройству для его осуществления.
В соответствии с уровнем техники, существовавшим до настоящего времени, известно, что для преобразования тепла в работу используют объемное расширение, происходящее в результате сгорания сжатого топлива в газообразном состоянии, такого как смесь топлива с воздухом, чтобы получить механическую работу в бензиновом двигателе, в котором поршень отходит от головки цилиндра благодаря объемному расширению, вызванному возгоранием смеси топлива с воздухом, сжатой в цилиндре. Это движение передают коленчатому валу с помощью шатуна.
В известном способе происходит сгорание с появлением пламени. В результате этого имеют место следующие недостатки:
a) прежде всего, выделяются вредные газы NOX как газы сгорания;
b) сгорание является неполным и неэффективным из-за обычно имеющего место недостаточно равномерного распределения и смешивания воздуха с топливом в камере сгорания;
c) из-за неполного сгорания образуется вредный нагар в виде остатков процесса сгорания;
d) с целью обеспечения охраны окружающей среды необходимы дорогостоящая каталитическая
очистка газов сгорания или отделение остатков сгорания от выхлопных газов.
В патенте DE 4322109 А1 описана горелка для сжигания газовоздушной смеси. Камеру сгорания заполняют пористым телом. Тепло, создаваемое горелкой, отводят, например, в виде горячей воды или пара, и оно может быть использовано в последующих процессах для нагревания или для обеспечения работы турбин. Эффективность, достигаемая при использовании известной горелки для совершения работы, относительно низкая из-за необходимости введения теплообменника. Другим недостатком является то, что известная горелка может действовать только в непрерывном режиме и при низкой плотности топлива. Использование жидкого топлива невозможно из-за сущности этого способа.
Задачей настоящего изобретения является создание способа преобразования тепла в работу и устройства для его осуществления, которые позволяют исключить вышеперечисленные недостатки. Задачей изобретения является также преобразование тепла в работу максимально возможным эффективным (в ценностном отношении) способом так, чтобы эффективность преобразования была повышена и газы после сгорания очищены, как только это возможно.
Эта задача достигается благодаря особенностям настоящего изобретения, изложенным в пп.1 и 15 формулы изобретения. Соответствующие усовершенствования могут быть почерпнуты из признаков, изложенных в пп.2-4 и 16-33.
В соответствии со способом согласно настоящему изобретению предложено производить сжигание сжатого газообразного топлива в пористом теле. Благоприятным оказалось сгорание без пламени сжатого газообразного топлива в пористом теле, при котором происходит полное сгорание при низком уровне выделения загрязнений. Нет необходимости в применении дорогостоящей каталитической очистки газов после сгорания или выделения остатков сгорания из выхлопных газов. Тепло может быть, таким образом, преобразовано в работу с высокой степенью эффективности и особенно при использовании жидкого топлива, которое можно легко получить, такого как легкая горючая фракция нефти, бензин и т.п.
В соответствии с одной особенностью настоящего изобретения газообразное топливо предварительно нагревают перед сжиганием в пористом теле. Тепло, переданное пористому телу во время предшествующего цикла сгорания, соответствующим образом используют в этих целях. Предварительное нагревание газообразного горючего обеспечивает практически почти равномерное распределение и способствует полному сгоранию при низком уровне выделения загрязнений.
В соответствии с другой особенностью настоящего изобретения пористое тело соединено с камерой сжатия. Пористое тело может, например, заполнять камеру сжатия в двигателях, известных в данной области техники до настоящего времени, таких как бензиновый, дизельный, двигатель Ванкеля и т.п.
Воздух или газообразное топливо можно подавать непосредственно в камеру сжатия. Также можно, однако, подавать воздух или газообразное топливо в камеру сжатия через пористое тело. В этом случае, даже когда воздух или газообразное топливо подают в камеру сжатия, их нагревают в пористом теле, которое предварительно нагрето в результате предшествовавшего цикла сгорания.
Воздух или газообразное топливо далее переносят в пористое тело и в то же самое время их сжимают. Сжатие приводит к повышению дальнейшего нагрева.
В соответствии со следующей особенностью настоящего изобретения смесь воздуха и топлива может быть образована за пределами пористой камеры, например в карбюраторе. Так как в существенной степени воздух был перенесен из камеры сгорания в пористое тело, смесь воздуха и топлива может также быть образована в пористом теле, то есть топливо подают прямо в последнее. Это может быть выполнено, например, путем впрыска жидкого топлива под высоким давлением. В этом случае топливо удовлетворительно испаряется в пористом теле. И снова тепло, переданное пористому телу во время предшествующего цикла сгорания, может быть использовано с этой целью. Испарение обеспечивает гомогенное смешивание топлива со сжатым воздухом. Газообразное топливо - это предпочтительно смесь воздуха с топливом или горючий газ, такой как пропан или бутан.
В соответствии с еще одной благоприятной особенностью настоящего изобретения газообразное топливо может быть смешано с газами, образующимися в результате сгорания, в пористом теле. Также возможно смешивать воздух или газообразное топливо с газами, образующимися в результате сгорания, за пределами пористого тела, предпочтительно - в камере сжатия. Смешивание с нагретыми газами, образующимися в результате сгорания, обеспечивает дальнейшее предварительное нагревание воздуха или газообразного топлива. Газы, образующиеся в результате сгорания, подвергают дальнейшему сжиганию. В результате этого вредные остатки сгорания, которые могли оставаться, разрушаются. При этом достигается особенно чистое сгорание. В соответствии с особенно благоприятным свойством настоящего изобретения газы, образующиеся в результате сгорания, когда их выпускают из камеры сжатия, проходят через пористое тело и в то же самое время подвергаются термической реакции. В результате термической реакции, которая следует за сгоранием, вредные газы, образующиеся в результате сгорания, разрушаются. В этом случае предпочтительно тепло, передаваемое пористому телу во время предшествующего цикла сгорания, используют для проведения термической реакции.
Также возможно отводить газы, образующиеся в результате сгорания, прямо из камеры сжатия. Помимо прочего этот способ подходит, когда используют топливо, отличающееся особенно низким уровнем выделения остатков.
Предпочтительно использовать жидкое топливо, например спирт, бензин, легкие горючие фракции нефти и т.п., в качестве топлива. И наконец, может быть также предусмотрено использование пылеобразного вещества, например угольной пыли, смешанной с воздухом.
В соответствии со следующим решением в устройстве для преобразования тепла в работу предусмотрена возможность для того, чтобы сжигание сжатого газообразного топлива происходило в пористом теле. Удивительно успешный беспламенный процесс сгорания сжатого газообразного топлива в пористом теле обеспечивает полное сгорание с низким уровнем выделения загрязнений. Нет необходимости в использовании дорогостоящей каталитической очистки или выделения остатков из выхлопных газов. Тепло, таким образом, может быть преобразовано в работу с высокой эффективностью и, особенно, при использовании жидкого топлива, которое может быть легко получено, такого как легкие горючие фракции нефти, бензин и т.п.
Варианты исполнения, уже описанные ранее, касавшиеся способа, могут быть также применены к устройству. В дополнение к этому целесообразно упомянуть следующие дальнейшие варианты.
Может быть создан впускной канал, имеющий по меньшей мере одно впускное отверстие, направленное в камеру сжатия или в пористое тело. Впускной канал служит для подачи воздуха или газообразного топлива. Может быть создан аналогичным образом выпускной канал, имеющий по меньшей мере одно выпускное отверстие, направленное в камеру сжатия или в пористое тело. Выпускной канал служит для выпуска газов, образовавшихся в результате сгорания. Оба отверстия, впускное и выпускное, могут быть закрыты с помощью циклически контролируемого закрывающего устройства, например клапана, который может быть задействован посредством коленчатого вала. Если впускное отверстие открыто в направлении пористого тела, то воздух или газообразное топливо, которые подают, проходят через пористое тело. Так как пористое тело было нагрето во время предшествующего цикла сгорания, то воздух или газообразное топливо предварительно нагреваются. Если выпускное отверстие открыто в направлении пористого тела, то газы, образующиеся в результате сгорания, когда их выпускают из камеры сжатия, направляют через горячее пористое тело и в то же самое время подвергают термической реакции, т.е. вторичному сгоранию. Термическая реакция вызывает разложение вредных выхлопных газов, которые могли быть образованы.
Приводные средства, созданные для преобразования в механическую работу, могут содержать поршень, роторный поршень или турбину. Поскольку представляет интерес поршень, камера сжатия соответственно ограничена цилиндрической головкой, а движение поршня ограничено возвратно-поступательным движением. В этом случае пористое тело может быть соединено с головкой цилиндра, теплоизоляционный слой, предпочтительно сформированный из керамики, может предпочтительно быть помещен между пористым телом и головкой цилиндра.
В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения пористое тело может быть расположено так, чтобы оно выступало в радиальном направлении наружу из камеры сжатия вблизи впускного и/или выпускного отверстия. Пористое тело, выполненное таким образом, предпочтительно сформировано посредством радиальной непрерывной выточки в головке цилиндра. Кроме того, можно пористое тело разместить на днище поршня, предпочтительно в выточке, выполненной в днище поршня. В этом случае, как это было установлено, полезным является создание устройства для охлаждения днища поршня. С помощью устройства, например, масло можно распылять по днищу поршня со стороны, расположенной против пористого тела.
В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения пористое тело снабжено сообщающейся пористой камерой. Она может быть предпочтительно изготовлена из металла, особенно предпочтительно - из высококачественной стали или керамики, такой как окись алюминия, нитрид алюминия, окись циркония, окись титана, карбид кремния и т.п. Для оптимизации условий протекания потока пористое тело может содержать множество слоев с различным средним диаметром пор.
Газообразное топливо может быть смесью воздуха с топливом или горючим газом. Также возможно использовать смесь, состоящую из пылеобразных твердых частиц, таких как угольная пыль, и воздуха.
В соответствии с еще одной особенностью изобретения устройство для образования смеси воздуха с топливом (sic) может быть выполнено за пределами пористого тела. Это может быть карбюратор. Может быть соответствующим образом введено устройство для подачи топлива в камеру сжатия или в пористое тело. Это может быть насос-форсунка.
Варианты исполнения настоящего изобретения пояснены более подробно ниже со ссылками на чертежи, на которых изображено:
на Фиг. 1
- схематически поперечное сечение цилиндра двигателя внутреннего сгорания первого типа, в котором поршень находится в верхней мертвой точке,
на Фиг. 2 - поперечное сечение, соответствующее
изображенному на Фиг.1, во время хода всасывания,
на Фиг. 3 - схематически поперечное сечение, соответствующее изображенному на Фиг.1, во время хода сжатия,
на Фиг. 4 - схематически
поперечное сечение, соответствующее изображенному на Фиг.1, во время хода сжатия и в случае впрыска топлива,
на Фиг. 5 - схематически поперечное сечение, соответствующее изображенному на
Фиг.1, в конце хода сжатия и во время сгорания,
на Фиг. 6 - схематически поперечное сечение, соответствующее изображенному на Фиг.1, во время рабочего хода,
на Фиг. 7 - схематически
поперечное сечение, соответствующее изображенному на Фиг.1, во время хода выпуска,
на Фиг.8 - схематически поперечное сечение цилиндра двигателя внутреннего сгорания второго типа, в котором
поршень находится в верхней мертвой точке,
на Фиг. 9 - поперечное сечение, соответствующее изображенному на Фиг.8, во время хода всасывания,
на Фиг.10 - схематически поперечное
сечение, соответствующее изображенному на Фиг.8, во время хода сжатия,
на Фиг.11 - схематически поперечное сечение, соответствующее изображенному на Фиг.8, во время хода сжатия и в случае
впрыска топлива,
на Фиг.12 - схематически поперечное сечение, соответствующее изображенному на Фиг.8, в конце хода сжатия и во время зажигания,
на Фиг.13 - схематически поперечное
сечение, соответствующее изображенному на Фиг.8, во время рабочего хода,
на Фиг.14 - схематически поперечное сечение, соответствующее изображенному на Фиг.1, в ходе выпуска,
на Фиг.
15 - схематически поперечное сечение цилиндра двигателя внутреннего сгорания третьего типа.
На Фиг. 1-8 изображено схематически поперечное сечение цилиндра 1 двигателя внутреннего сгорания первого типа. Поршень 2, размещенный с возможностью смещения в цилиндре 1, находится в верхней мертвой точке. Впускной канал 3 соединен с впускным отверстием 4, направленным в камеру сжатия 5. Выпускной канал 6 соединен с выпускным отверстием 7, направленным в пористое тело 8. Пористое тело 8 заполняет по существу пространство, которое остается между головкой цилиндра 9 и поршнем 2, находящимся в верхней мертвой точке. Впускное отверстие 4 может быть закрыто с помощью впускного клапана 10 и выпускное отверстие 7 - с помощью выпускного клапана 11.
На Фиг. 8-14 изображено схематически поперечное сечение цилиндра 1 двигателя внутреннего сгорания второго типа. Пористое тело 8 размещено здесь в радиально непрерывной выточке 13, которая выполнена в головке цилиндра 9 и размещена вблизи отдельного впускного и выпускного отверстия 12. Коническая наружная поверхность 14 отверстия соединяет пористое тело 8 с камерой сжатия 5. Поверхность 14 конического отверстия расширяется в направлении камеры сжатия 5. Поршень 2 снабжен центральным выступом 16 на днище поршня 15. Геометрия днища поршня 15 соответствует геометрии камеры сжатия 5 так, что в верхней мертвой точке контур днища поршня 15 располагается вблизи контура камеры сжатия 15. Отдельный впускной и выпускной клапан 17 введен для закрывания впускного и выпускного отверстия 12.
Пористое тело 8 имеет радиально направленный внутренний слой 8а, содержащий поры одного диаметра, и радиально направленный внешний слой 8b, содержащий поры второго диаметра. Второй диаметр пор больше первого диаметра пор.
На Фиг.15 схематически изображено поперечное сечение цилиндра 1 двигателя внутреннего сгорания третьего типа. Здесь пористое тело 8 сформировано в центральной выемке, выполненной в днище поршня 15. Выемка полностью заполнена пористым телом 8. Здесь пористое тело 8 совершает возвратно-поступательное движение вместе с поршнем 2. Для того чтобы противодействовать перегреву днища поршня 15, введено устройство (здесь не показано), с помощью которого распыляют масло на нижнюю сторону днища (со стороны коленчатого вала) поршня 2.
Двигатель внутреннего сгорания первого типа, показанный на Фиг.1-8, действует следующим образом.
Во время хода всасывания, показанного на Фиг.2, поршень 2 отходит от головки цилиндра 9. Впускной клапан 10 открыт. Под действием разряжения, созданного в цилиндре 1, воздух всасывается через впускное отверстие 4 в камеру сжатия 5. Впускной клапан 10 затем закрывается, и поршень 2 перемещается в направлении головки цилиндра 9. В этом случае воздух, поступивший в цилиндр в ходе всасывания, сжимается и одновременно нагнетается в пористое тело 8. Этот так называемый ход сжатия представлен на Фиг.3. Незадолго до достижения верхней мертвой точки производится впрыск жидкого топлива в пористое тело 8, что отчетливо показано на Фиг.4. Впрыснутое жидкое топливо испаряется под воздействием тепла, сохраняемого в пористом теле 8 во время предшествующего цикла сгорания. Получается смесь воздуха с топливом с большой турбулентностью. Смесь воздуха с топливом с большой турбулентностью подвергается дальнейшему сжатию и нагреванию до тех пор, пока поршень 2 не достигнет верхней мертвой точки. Это положение проиллюстрировано на Фиг.5. Сжатие, в частности, обеспечивает условия, при которых в верхней мертвой точке температура воспламенения смеси воздуха и топлива превышается. Спонтанное воспламенение и беспламенное сгорание смеси воздуха и топлива происходит в пористом теле 8. Объемное расширение, достигаемое таким образом, понуждает поршень 2 двигаться от головки цилиндра 9. Этот так называемый рабочий ход показан на Фиг.6.
На Фиг. 7 показан ход выпуска. В этом случае поршень 2 вновь движется в направлении головки цилиндра 9. Выпускной клапан 11 открыт. Газы, образовавшиеся в результате сгорания, пропускаются через горячее пористое тело 8 в выпускной канал 6. Когда они проходят через пористое тело 8, газы, образовавшиеся в результате сгорания, подвергаются термической реакции. В это время вредные газы, образовавшиеся в результате сгорания, разлагаются. Газы, образовавшиеся в результате сгорания, но уже очищенные, покидают пористое тело 8. Выпускной клапан 11 затем вновь закрывается и начинается новый рабочий цикл с хода впуска.
При постоянном действии газы, образовавшиеся в результате сгорания, которые остались в пористом теле 8 после соответственно предшествовавшего цикла сгорания, служат для нагревания смеси воздуха с топливом. Эти газы, образовавшиеся в результате сгорания, подвергаются вторичному сжиганию. Это также способствует процессу сгорания с особенно низким уровнем выделения загрязнений.
Второй тип термического двигателя, представленный на Фиг.8-14, действует следующим образом.
Во время хода всасывания, показанного на Фиг.9, отдельный впускной и выпускной клапан 17 открывается. Воздух всасывается через впускное отверстие 4 в камеру сжатия 5. Газы, образовавшиеся в результате сгорания, которые остались от предшествовавшего цикла сгорания, одновременно отсасываются из пористого тела 8 в камеру сжатия 5. Во время хода сжатия, показанного на Фиг.10, отдельный впускной и выпускной клапан 17 закрывается и поршень перемещается в цилиндре 1 в направлении головки цилиндра 9. Смесь, состоящая из воздуха и газов, образовавшихся в результате сгорания, сжимается и нагнетается в пористое тело 8. Жидкое топливо затем впрыскивается в камеру сжатия 5, как показано на Фиг. 11. Образуется смесь воздуха и топлива с сильной турбулентностью, которая при последующем сжатии нагнетается в пористое тело 8, и здесь она автоматически воспламеняется (см. Фиг.12).
В результате объемного расширения, которое происходит в это же время, газы, образовавшиеся в результате сгорания, переходят из пористого тела 8 в камеру сжатия 5. Поршень 2 одновременно движется от головки цилиндра 9. Это показано схематически на Фиг.13.
Затем следует ход выпуска. Как это отчетливо показано на Фиг.14, отдельный впускной и выпускной клапан 17 открывается. Поршень 2 одновременно перемещается в направлении головки цилиндра 9. Газы, образовавшиеся в результате сгорания, выталкиваются из камеры сжатия 5. Небольшая часть газов, образовавшихся в результате сгорания, проникает в пористое тело 8 во время хода выпуска. Эта часть газов, образовавшихся в результате сгорания, подвергается дальнейшему сжатию во время следующего цикла.
В термическом двигателе третьего типа, показанном на Фиг.15, пористое тело 8 размещено в днище поршня 15. Этот вариант особенно подходит, когда используют смесь воздуха и топлива или горючего газа, подготовленную за пределами камеры сжатия 5.
Реферат
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Устройство и способ преобразования тепла в работу, при котором газообразное топливо сжимают и затем сжигают и при котором приводные средства 2 перемещаются под действием объемного расширения, происходящего в результате сгорания, сжатое газообразное топливо сжигают в пористом теле 8. Изобретение обеспечивает сгорание с низким уровнем выделения загрязнений. 2 с. и 31 з.п.ф-лы, 15 ил.
