На эту тему существует много предложений и патентов, простых и экзотичных, но в реальную практику они не вошли. Неужели так трудно совместить эти два типа тепловых машин? (хотя их совмещение дает неоспоримые преимущества, как в КПД, так и в тяговых свойствах двигателя). Ведь существующий прогрессивный ДВС уже содержит все необходимые для этого элементы. Их только следует модифицировать.
Действительно, вот основные элементы паросиловой установки по ходу движения рабочего тела: котел-испаритель, пароперегреватель, турбина (или паросиловой цилиндр), конденсатор, питательный циркуляционный насос.
А вот существующие элементы в ДВС, могущие играть аналогичную роль при соответствующей модификации ДВС: рубашка охлаждения, глушитель и коллектор выхлопных газов, турбина и компрессор (турбонаддув), радиатор охлаждения, циркуляционный насос (помпа).
Рассмотрим, какой модификации или замене должны подвергнуться эти элементы ДВС.
1. Рубашка охлаждения выполняется в виде конструкции, включающей трубчатые полые элементы, где происходит кипение и испарение рабочего тела с получением насыщенного пара высокого давления.
2. Внутри коллектора выхлопных газов (глушителя) помещается оребренная стальная труба в качестве пароперегревателя, рассчитанная на соответствующее давление пара, образуя таким образом теплообменник типа «труба в трубе».
3. Турбонаддув заменяется паросиловым цилиндром (цилиндрами) с клапанами.
4. Радиатор охлаждения, рассчитанный на отрицательное давление до 1 атмосферы, становится конденсатором.
5. Циркуляционный насос-помпа заменяется поршневым насосом, рассчитанным на высокое давление, но весьма малых расход.
О некоторых особенностях технологии и эксплуатации.
Наиболее сложным в данной модификации ДВС является превращение рубашки охлаждения в котел-испаритель, включая конструктивное оформление испарительных элементов для обеспечения эффективного теплоотвода при высоком давлении.
Пусть рабочим телом является вода, например, при давлении 50 ат с температурой кипения 260 град С. Последнее возможно при условии изготовления наиболее теплонагруженных деталей ДВС из чугуна; такие детали (головки цилиндров и др.) могут эксплуатироваться до температуры 350 град С (легированный чугун до 400 град С) [1].
Суть в том, что процесс теплоотвода может быть обеспечен более высокотемпературным теплоносителем при меньшей разности температур, т.к. в оптимальном режиме испарения и циркуляции (пузырьковое кипение) коэффициент теплоотдачи от греющей поверхности к рабочему телу становится намного выше, чем при обычной циркуляции охлаждающего жидкого агента. При этом охлаждение относительно «холодных» элементов поршневой группы уменьшается, уменьшаются также температурные контрасты, а двигатель становится более «теплым», что снижает обратимые тепловые потери в процессе расширения и увеличивает полезную работу.
Необходимым условием является полное заполнение водой при входе в систему и далее в виде паро-водяной смеси котла-испарителя и ее циркуляции в количестве, обеспечивающем поступление в пароперегреватель именно насыщенного пара. Ориентировочно, соотношение расхода воды в к расходу топлива 6 : 1.
В пароперегревателе-теплообменнике пар повышает свою температуру, а выхлопные газы, соответственно, снижают свои давление и температуру, передавая около половины уносимого ими тепла пару (для более полного использования следует также подогревать воду перед подачей в испаритель).
В паросиловом цилиндре в такте расширения пар совершает работу, причем в процессе выпуска на поршень может действовать дополнительный положительный импульс в случае, если давление в конденсаторе окажется меньше давления выпуска.
При условии теплоизоляции греющих элементов в целом можно использовать в паросиловом цикле около 2/3 общих тепловых потерь, т.е. примерно 40% от всего тепла, выделяемого при сгорании топлива. КПД паросилового цикла в данном случае, конечно, будет меньше КПД больших паросиловых установок, допустим 20%. Тогда в полезную работу можно превратить дополнительно 0.2*0.4*100 = 8% исходной тепловой энергии топлива.
Очевидно, в схему двигателя следует также ввести некоторые элементы регулирования для стабилизации и оптимизации режима, обычные для паросиловых установок.
Таким образом, в целях использования избыточного тепла в ДВС в паросиловом цикле следует проводить отвод тепла высокотемпературным охладителем при меньшем градиенте температур и более высоком коэффициенте теплоотдачи от охлаждаемых элементов двигателя к охладителю. При этом также уменьшаются обратимые тепловые потери, что должно привести к увеличению одновременно и КПД цикла внутреннего сгорания. Наиболее сложным в такой модификации, по мнению автора, является разработка конструкции рубашки-испарителя.
1. Чернышов Г.Д., Хачиян А.С., Пикус В.И. Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей. М., «Машиностроение», 1986 г.
