СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ЕГО УСТРОЙСТВО
METHOD OF THERMAL ENGINE OPERATION AND THERMAL ENGINE

Предлагаемый способ работы теплового двигателя относится к двигателестроению, а именно к способу работы роторно-поршневых тепловых двигателей.
Известен, например, способ работы теплового двигателя по идее В.Ю.Семенова. По проекту В.Ю. Семенова предлагается четыре такта сохранить, зато систему охлаждения убрать. Детали камеры сгорания нагреются. В пятом - новом - такте всасывающий и выхлопной клапаны закрыты, а через форсунки, направленные на самые горячие места, впрыскивается вода. Она испаряется, пар расширяется и совершает работу за счет тепла, накопленного в предыдущем цикле (см. журнал «Изобретатель и рационализатор», №11, 2005 г., стр.32).
Существенным недостатком указанного способа является то, что впрыск воды производится после выхлопа сгоревшего топлива, что загрязняет атмосферу выхлопными газами и, вместе с тем, не позволяет использовать тепловую энергию этих выхлопных газов, которые уносят с собой значительную часть тепла. Также в указанном прототипе часть тепла сгоревших газов передается внутренним поверхностям стенок камеры сгорания и далее выводится в окружающее пространство, наружу двигателя.
Указанные недостатки устраняются в предлагаемом способе работы теплового двигателя. Технический результат по указанной заявке на изобретение заключается в максимальном использовании тепловой энергии топлива, повышении КПД теплового двигателя и снижении вредных выбросов.
Результат достигается тем, что способ работы теплового двигателя, имеющего герметичные камеры переменного объема и исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, включает четыре такта двигателя внутреннего сгорания, плюс такт впрыска в камеру рабочего хода - камеру сгорания - воды, который производят по завершении процесса горения основной части топливной смеси, при этом рабочий процесс осуществляют при теплоизоляции рабочих камер.
Впрыск воды в камеру сгорания - камеру рабочего хода, где находятся сгоревшие газы со столь высокой температурой, приводит к ее быстрому (практически мгновенному) испарению и, за счет образованного водяного пара, снова повышению давления в камере сгорания, под действием которого подвижный исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, продолжает выполнять полезную работу, для чего исполнительный элемент - поршень - перемещают на большее расстояние, чем при осуществлении такта сжатия, до достижения наиболее низких термодинамических параметров парогазовой смеси. Практически в такте впрыска воды и расширении пара тепловой двигатель работает как паровая машина. Переменный объем камеры рабочего хода, двигателя, выполняется большим, чем переменный объем камеры сжатия. Рабочий ход складывается из части рабочего хода за счет расширения сгоревшей топливовоздушной смеси и части рабочего хода за счет водяного пара (при впрыске воды), использующего остаточное тепло сгоревших газов.
Поскольку в данном способе работы двигателя утечка тепла через стенки рабочих камер является нежелательной, то эта часть тепла сохраняется внутри двигателя путем теплоизоляции стенок рабочих камер и используется для нагрева впрыскиваемой воды. Возможно нанесение теплоизоляции снаружи двигателя. Наиболее эффективно осуществлять теплоизоляцию путем использования принципа сосуда Дюара.
Использование тепла стенок камеры сгорания, где происходит горение топливной смеси, производят путем выравнивания температур внутренних стенок рабочих камер. Выравнивание температур внутренних стенок рабочих камер возможно производить путем нанесения на внутреннюю поверхность материала, имеющего наибольший коэффициент теплопроводности, например на основе меди. Наиболее эффективно производить выравнивание температур, например, используя принцип «тепловой трубки».
Для наиболее полного использования тепловой энергии сгоревших газов в разных режимах работы двигателя количество впрыскиваемой воды может быть дозировано в зависимости от температуры и давления газов в момент впрыска.
Для повторного использования воды выхлоп может производиться в конденсатор, где пар конденсируется в воду, а газ выбрасывается в атмосферу. Далее может производиться очистка воды от примесей в фильтре, и вода снова впрыскивается в двигатель. При этом часть вредных примесей от не полностью сгоревшего топлива (например, частицы дыма) остаётся в фильтре, и выхлоп данного способа работы теплового двигателя получается более экологически чистым.
Для увеличения мощности двигателя может осуществляться наддув при впуске свежего заряда, соответственно при этом давление и температура сгоревших газов перед тактом впрыска воды могут быть увеличены по сравнению с вышеуказанными параметрами.
Выхлоп должен производиться при достижении наиболее низких термодинамических параметров парогазовой смеси, например при температуре (100-150) градусов Цельсия и давлении (1-2) атмосферы.
Из технической литературы известно, что в классическом поршневом двигателе внутреннего сгорания из 100% энергии топлива полезную работу совершают только (25-30)%.
Механические потери составляют примерно 10% (это трение поршней, инерционные силы возвратно-поступательного движения шатунно-поршневой группы и т.д.). У роторного двигателя многие элементы поршневого двигателя отсутствуют, и поэтому механические потери будут составлять примерно 2%.
В классическом поршневом двигателе тепловые потери выхлопа равны примерно 25%. В рассматриваемом двигателе за счет впрыска воды и использования энергии пара тепловые потери снижаются примерно до (4-8)%.
В классическом поршневом двигателе тепловые потери через стенки камеры сгорания составляют (35-40)% тепловой энергии. В рассматриваемом двигателе за счет впрыска воды и одновременной теплоизоляции камер тепловые потери через стенки камер снижаются примерно до (5-8)%.
Таким образом, в классическом поршневом двигателе общие рассматриваемые потери составляют примерно 10%+25%+40%=75%.
В рассматриваемом предлагаемом способе работы роторного двигателя потери составляют примерно 2%+8%+8%=18%. Все остальное тепло используется для полезной работы, и коэффициент теплового действия предлагаемого теплового двигателя будет составлять примерно (75-82)%. Технический результат по указанной заявке на изобретение заключается в максимальном использовании тепловой энергии топлива и повышении КПД теплового двигателя примерно до 80% и снижении вредных выбросов.
Предлагаемое устройство - тепловой двигатель - относится к двигателестроению, а именно к тепловым роторным двигателям.
Известен тепловой роторный двигатель (патент РФ №2253029 от 03.11.2003 г.), содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один выступ, подвижные перегородки, камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре переменные внутренние объемы, один из которых является основной камерой, причем предкамера имеет отверстие, а на торцевой стороне ротора выполнены канавки. Причем одна из перегородок расположена между впускным и выпускным отверстиями, а другая расположена на противоположной стороне.
Однако недостатками данного двигателя являются потери значительной части тепловой энергии при выхлопе еще достаточно горячих выхлопных газов и присутствие в выхлопе вредных, токсичных веществ. Также в данной схеме двигателя часть тепловой энергии передается стенкам рабочих камер и выводится наружу.
Указанные недостатки устраняются в предлагаемой схеме теплового двигателя. Технический результат заключается в максимальном использовании тепловой энергии топлива, повышении КПД теплового двигателя и снижении вредных выбросов.
Результат достигается тем, что тепловой роторный двигатель содержит статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один выступ, подвижные перегородки, камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре переменные внутренние объемы, один из которых является основной камерой, причем предкамера имеет отверстие, а на торцевой поверхности ротора выполнены канавки. Причем одна из перегородок расположена между впускным и выпускным отверстиями, а другая расположена на противоположной стороне статора.
В отличие от прототипа в предлагаемой конструкции роторного двигателя в камере сгорания установлены форсунки для впрыска воды, а камера сгорания и переменные внутренние объемы статора теплоизолированы от окружающей среды, например путем покрытия статора теплоизоляцией.
Возможен вариант выполнения теплоизоляции или в целом корпуса двигателя по принципу сосуда Дюара. Также внутренние стенки герметичных камер выполнены из материала, имеющего наибольший коэффициент теплопроводности, например материалом на основе меди. Возможен вариант выполнения внутренних стенок герметичных камер по принципу «тепловой трубки».
Конструктивная схема предлагаемого роторного двигателя иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид двигателя с разрезом по Б-Б фиг.2.
На фиг.2 изображен разрез по А-А фиг.1.
На фиг.3 изображен разрез по предкамере (разрез по В-В фиг.1).
На фиг.4 изображена схема двигателя.
На фиг.5, 6, 7, 8, 9 и 10 показаны этапы работы двигателя.
Предлагаемый двигатель (фиг.1, 2, 3) включает в себя статор 1, внутренняя поверхность которого выполнена в виде кругового цилиндра, герметично закрытого с торцов. Снаружи статор покрыт теплоизоляцией 2. Внутренняя поверхность 3 статора покрыта материалом, имеющим наибольший коэффициент теплопроводности, например одним из медных сплавов. Внутри статора 1 размещен ротор 4, выполненный с профилированной кулачковой поверхностью, например с одним выступом 5, и который имеет возможность скользить по внутренней цилиндрической поверхности 3 статора, образуя герметичное подвижное соединение. Статор выполнен с полостью 6, в которой циркулирует вода. В статоре 1 также выполнена полость, которая является предкамерой 7 камеры сгорания. В предкамере 7 имеется отверстие 8. Отверстие 8 служит для впуска свежей порции топливной смеси в предкамеру 7 и для выпуска горячих газов (продуктов сгорания). Предкамера оборудована запальной свечей 9 и форсункой 10 для впрыска воды. В стенках статора 1 выполнены два отверстия: впускное 11 и выпускное 12. Радиально к цилиндрической поверхности статора 1 установлены две подвижные перегородки 13 и 14, которые постоянно контактируют с ротором 4 (в том числе при его вращении) с помощью пружин 25 и образуют с поверхностью ротора 4 подвижное герметичное соединение. Причем перегородка 13 размещена между впускным 11 и выпускным 12 отверстиями. Отверстие 11 - впускное и служит для подвода топливной смеси (или наружного воздуха). Отверстие 12 - выпускное и служит для выпуска отработанных газов. Другая перегородка 14 размещена на противоположной стороне статора. Между перегородками 13 и 14, по часовой стрелке, образуется угол, равный или отличный от 180 градусов. Торцевые поверхности статора 1 и торцевые поверхности ротора 4 образуют также подвижные герметичные соединения. Подвижные перегородки 13 и 14 и выступ 5 ротора 4, при его вращении, отсекают переменные внутренние объемы статора 1 и образуют переменные объемы камер 17, 18, 19 и 20 (см. фиг.1). Ротор 4 вращается по часовой стрелке. На торцевой поверхностью ротора 4 выполнены канавки 15 и 16, взаимодействующие с отверстием 8 предкамеры 7 и с торцевой поверхностью статора 1 (то есть канавки выполнены в конструктивном элементе внутреннего объема двигателя). В стенке статора 1 размещена форсунка 10 для впрыска воды в основную камеру камеры сгорания или камеру 19 рабочего хода.
Камера 17 переменного объема - камера впуска - образована подвижной перегородкой 13 и выступом 5 ротора 4 при нахождении выступа справа от перегородки 13.
Камера 18 переменного объема - камера сжатия - образована выступом 5 и подвижной перегородкой 14 при нахождении выступа 5 справа между перегородкой 13 и перегородкой 14. При нахождении выступа 5 слева от подвижных перегородок 13 и 14 камеры 17 и 18 образуют общий объем 17-18, ограниченный перегородками 13 и 14.
Камера 19 переменного объема - камера рабочего хода (основная камера камеры сгорания) - образована подвижной перегородкой 14 и выступом 5 при его нахождении слева от перегородки 14.
Камера 20 переменного объема - камера выхлопа - образована выступом 5 и подвижной перегородкой 13 при нахождении выступа слева от перегородки 13. При нахождении выступа 5 справа между подвижными перегородками 13 и 14 камеры 19 и 20 образуют общий объем 19-20, ограниченный слева перегородками 13 и 14. Также в момент пересечения выступом 5 подвижных перегородок 13 или 14, камеры 17 и 18 образуют общий объем 17-18, а камеры 19 и 20 образуют общий объем 19-20.
Выступ 5 на роторе 4 может быть выполнен в виде лопасти, при этом подвижные перегородки выполняются, например, в виде дисков с возможностью вращения. Диски, при этом, выполняются с прорезями.
Теплоизоляция герметичных камер наносится на статор двигателя. Теплоизоляция двигателя может быть выполнена по принципу сосуда Дюара. Также сам статор - корпус двигателя может быть выполнен по принципу сосуда Дюара. Для выравнивания температур внутренних стенок статора на них наносится материал, имеющий наибольший коэффициент теплопроводности, например материал на основе меди.
Для повторного использования впрыскиваемой воды и очистки выхлопных газов двигатель может быть оснащен теплообменником 21, конденсатором 22, фильтром 23 и водяным насосом 24 (фиг.4).
Двигатель работает следующим образом (см. фиг.5, 6, 7, 8, 9, 10).
Исходное положение ротора 4 может быть любым. Для примера: кулачковый выступ 5 ротора 4 находится между отверстиями 12 и 11, а подвижная перегородка отжата кулачковым выступом, и вращение ротора происходит по часовой стрелке. Далее выступ 5 ротора 4 пересекает перегородку 13, впускное отверстие 11, которое соединяется с камерой 17, и начинается первый такт. Рассмотрим такты работы двигателя по мере прохождения газов из одного объема в другой при вращении ротора 4.
Первый такт. Впуск свежего заряда топливной смеси (для камеры 17). При вращении ротора 4 в переменном (увеличивающемся) объеме камеры 17, образуемом подвижной перегородкой 13 и выступом 5 ротора 4, возникает разрежение, и через отверстие 11 поступает свежая топливная смесь (или воздух). Камера 17 - это переменный (увеличивающийся) объем (камера впуска). Конец такта впуска для камеры 17 происходит, когда выступ 5 подходит к подвижной перегородке 14.
Второй такт. Сжатие (для камеры 18). При вращении ротора 4 от подвижной перегородки 13 к перегородке 14 выступ 5 пересекает подвижную перегородку 13, а затем впускное отверстие 11, и, таким образом, поступившая во внутренний объем камеры 18 статора 1 топливная смесь оказывается заперта в ней между выступом 5 (который отсек камеру от впускного отверстия 11) и подвижной перегородкой 14. Камера 18 - это переменный (уменьшаемый) объем, образуемый между выступом 5 ротора 4 и подвижной перегородкой 14 (камера сжатия). Камера 18 соединена с канавкой 15, которая взаимодействует с отверстием 8 предкамеры 7, куда и поступает сжимающаяся топливная смесь (или воздух). В конце такта выступ 5 ротора 4 подходит к подвижной перегородке 14, полностью вытесняя сжатую в камере 18 топливную смесь в канавку 15 и через отверстие 8 в предкамеру 7. Далее отверстие 8 закрывается торцевой частью ротора 4 и, таким образом, сжатая топливная смесь оказывается заперта в предкамере 7.
Третий такт. Рабочий ход - сгорание и расширение сгоревших газов (для камеры 19). При дальнейшем вращении ротора 4 его выступ 5 пересекает подвижную перегородку 14 и образует новый переменный расширяющийся объем между подвижной перегородкой 14 и выступом 5. Это - камера 19, камера рабочего хода. В момент пересечения выступа 5 подвижной перегородки 14, свечей 9 в предкамере 7 воспламеняется топливная смесь. (В варианте дизеля вместо запальной свечи 9 стоит топливная форсунка). А при дальнейшем вращении ротора 4 отверстие 8 предкамеры 7 соединяется с канавками 16 и выпускает в камеру 19 расширяющиеся сгоревшие газы, которые давят на выступ 5 ротора 4, заставляя его поворачиваться и совершать рабочий ход. Так как воспламенение топливной смеси происходит в предкамере 7, а расширяющиеся сгорающие газы проникают в камеру 19 через отверстие 8 и канавки 16, то давление на выступ 5 ротора возрастает плавно, что создает плавный режим работы двигателя. Таким образом, видно, что камера сгорания для данной конструкции состоит из предкамеры 7 и камеры переменного расширяющего объема камеры 19. То есть камера 19 - это основная камера камеры сгорания - камера рабочего хода. Третий такт оканчивается при достижении в камере 19 давления и температуры, используемой, например, при выхлопе сгоревших газов традиционных двигателей (для бензинового двигателя 3-4 атм при температуре 900 град. Цельсия, а для варианта дизеля 5-6 атм при температуре 1200-1300 град. Цельсия),
Четвертый такт. Такт впрыска воды в камеру рабочего хода - расширение пара (для камеры 19) - начинается, например, при достижении для варианта бензинового двигателя 3-4 атм при температуре 900 град. Цельсия, а для варианта дизеля 5-6 атм при температуре 1200-1300 град. Цельсия. В этот момент в камеру 19 рабочего хода происходит через форсунку 10 впрыск воды. Впрыск воды производится также в предкамеру 7 через установленную в ней форсунку 10. Впрыснутая и распыленная вода мгновенно испаряется, и образованный при этом водяной пар повышает давление в камере 19. Давление воздействует на выступ 5 ротора 4, заставляя его продолжать рабочий ход, используя энергию пара. К моменту выхлопа газопаровой смеси давление падает до, например, 1-2 атмосферы и температуры 100-150 градусов Цельсия. Третий этап заканчивается при подходе выступа 5 ротора 4 к перегородке 13 и открытии отверстия 12 выпуска. С момента впрыска в камеру 19 воды и до момента выхлопа двигатель работает как паровая машина.
Пятый такт. Выпуск отработавших газов (для камеры 20). В момент, когда выступ 5 пересекает подвижную перегородку 13, отверстие 12, объем с расширяющимися газами соединяется с указанным отверстием 12, происходит выхлоп газопаровой смеси. Выступ 5 ротора 4, проходя затем последовательно через перегородки 13 и 14, начинает принудительно вытеснять оставшиеся в камере газы. То есть камера 20 - это камера уменьшаемого объема камера выпуска (выхлопа) отработавших газов и пара. В конце такта выступ 5 ротора 4 пересекает подвижную перегородку 13.
Парогазовая смесь (см. фиг.4), выходящая из выпускного отверстия 12, попадает в теплообменник 21, где предварительно нагревает воду. Далее парогазовая смесь последовательно попадает в конденсатор 22, фильтр 23, водяной насос 24. Для нагрева воды используется вода, проходящая через теплообменник 21 и полость 6. Затем нагретая вода подается на форсунки 10.
Из технической литературы известно, что в классическом поршневом двигателе внутреннего сгорания из 100% энергии топлива полезную работу совершают только 25-30%.
Механические потери составляют примерно 10% (это трение поршней и т.д.). У роторного двигателя многие элементы поршневого двигателя отсутствуют, и поэтому механические потери будут составлять примерно - 2%.
В классическом поршневом двигателе тепловые потери выхлопа равны примерно 25%. В рассматриваемом двигателе за счет впрыска воды и использования энергии пара тепловые потери снижаются примерно до (4-8)%.
В классическом поршневом двигателе тепловые потери через стенки камеры сгорания составляют (35-40)% тепловой энергии. В рассматриваемом двигателе за счет впрыска воды и одновременной теплоизоляции камер тепловые потери через стенки камер снижаются примерно до (5-8)%.
Таким образом, в классическом поршневом двигателе общие рассматриваемые потери составляют примерно 10%+25%+40%=75%.
В рассматриваемом предлагаемом роторном двигателе потери составляют примерно 2%+8%+8%=18%. Все остальное тепло используется для полезной работы, и коэффициент теплового действия предлагаемого теплового двигателя будет составлять примерно 75%-82%.
Технический результат заключается в максимальном использовании тепловой энергии топлива в роторном тепловом двигателе, повышении его КПД примерно до 80% и снижении выброса вредных веществ.