ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
HEAT ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области тепловых двигателей, в частности к объемным двигателям внутреннего сгорания, имеющим увеличенный КПД.
Двигатель внутреннего сгорания является тепловым двигателем, в котором рабочая текучая среда представляет собой газ, зачастую воздух или воздух, смешанный с продуктами сгорания, содержащий некоторую долю кислорода, к которому в течение цикла непосредственно подводят тепло, вырабатываемое в результате процесса горения в пределах рабочей текучей среды.
Большинство случаев в технической необходимости в механической энергии, которых невозможно удовлетворить за счет подключения к электрической сети, удовлетворяют двигателями внутреннего сгорания. Хотя техническая необходимость по питанию транспорта, относящиеся к автомобильным двигателям, двигателям грузовых транспортных средств, железнодорожным, судовым и авиационным двигателям, являются хорошо известной, тем не менее, существуют множество других видов технической необходимости, относящийся к выработке электроэнергии в широком диапазоне, для инструментов с электроприводом, использующимся в агрокультуре, лесничестве и гражданском строительстве, при перекачке воды, нефтепродуктов и природного газа. Двигатели классифицируют по размерам: от микромашин, обладающих весом лишь в несколько грамм, которые в настоящее время разрабатывают для замены аккумуляторных батарей в некоторых областях применения, до судовых гребных агрегатов с весом 2300 метрических тон.
Полагают, что общемировые запасы ископаемого топлива приближаются к нефтяному пику, после которого может возникнуть жестокая конкуренция за истощающиеся запасы. Различные биотоплива были разработаны или на сегодняшний день находятся в разработке, однако некоторые из них конкурируют с продовольственными культурами за использование на сельскохозяйственных угодьях. В дополнение, сегодня повсеместно признано, что воздействия на окружающую среду от выбросов углерода в атмосферу являются причиной изменения климата. Поэтому ввиду затруднительного обстоятельства, возникающего от такой комбинации проблем, существует огромный интерес в повышении КПД двигателей внутреннего сгорания.
В области техники хорошо известно, что двигатели, созданные на основе современной технологии, способны преобразовать лишь приблизительно треть энергии, доступной в топливе, в полезную работу. Из остающихся двух третьих в поршневых двигателях примерно одна треть составляет потери цикла, которая покидает двигатель в виде бросового тепла. Оставшаяся треть относится к потерям при охлаждении, которая представляет собой тепло, передаваемое от рабочего газа к материал двигателя, которое, таким образом, теряется для цикла и которое вынуждено рассеиваться охлаждающими ребрами или жидкостью, заполняемой радиаторы, чтобы защитить материалы и процессы в двигателе. Следовательно, повышение КПД является целью, которую пытаются достигнуть многие специалисты в данной области техники, а области потерь цикла и потерь при охлаждении являются целью усовершенствований предшествующего уровня техники. Настоящее изобретение предлагает существенное усовершенствование обеих областей.
В 1824 г. Сади Карно показал, что никакой тепловой двигатель не сможет достигнуть 100% КПД. Все двигатели принимают тепло при более высокой абсолютной температуре Th и отводят тепло при более низкой абсолютной температуре Тс. Хорошо известное уравнение Карно
η=1-(Tc/Th)
показывает, что максимальный коэффициент полезного действия η, который двигатель может достигнуть, ограничен отношением этих температур. Однако данное уравнение также показывает, что двигатель, работающий между адиабатической температурой сгорания обычного топлива приблизительно при 2800К и температурами окружающей среды приблизительно при 300К, мог бы иметь предел КПД почти 90%. Нынешние двигатели не могут использовать данный диапазон температур.
Настоящее изобретение полностью использует такой диапазон температур, и, следовательно, имеет предел Карно по эффективности намного выше.
В настоящее время двигатели внутреннего сгорания делятся на объемные машины и динамические потоковые машины. Объемные машины включают поршневые двигатели и двигатели Ванкеля, тогда как динамические потоковые машины включают газовые турбины. Объемные машины характеризуются тем, что они втягивают и обрабатывают дискретные рабочие объемы газа, забираемые в течение цикла, вызывая изменения объема, а также подвод и отвод тепла. Указанные объемные двигатели подразделяются на двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия, работающие с двухтактным или четырехтактным циклом. Все эти двигатели, в общем, имеют принцип сжатия. Такой принцип был впервые изложен Альфонсом Бо де Рошом в технической брошюре, опубликованной в 1862 г. В указанной брошюре точно описывался рабочий принцип четырехтактного двигателя. В 1876 г. доктор Николаус Отто вновь открыл этот принцип и создал успешный двигатель. С того времени и до настоящего момента принцип сжатия был универсален. Уравнение коэффициента полезного действия, определяющее цикл Отто, а также цикл Джоуля-Брайтона, который распространяется на газовые турбины, довольно хорошо известно в данной области техники:
v
(γ-1)
η=1-(1/r ),
v
где η - коэффициент полезного действия, r - объемное отношение, обычно называемое степенью сжатия, γ - отношение удельных теплоемкостей рабочего газа и имеет значение 1,4 при окружающих температурах, понижаясь до 1,29 при 2500К.
Цикл Джоуля-Брайтона, который применим к газовым турбинам, имеет подобное уравнение КПД
p
(γ-1)/γ
η=1-(1/r ),
p
В этом уравнении r является отношением давлений.
Явный смысл этих уравнений заключается в том, что КПД повышается за счет высоких степеней сжатия и, кроме того, в том, что двигатель, который не имеет сжатия, т.е. r=1, будет иметь нулевой КПД. Изучение предыстории двигателя внутреннего сгорания показало, что это совсем не так. До изобретения двигателя со сжатием были созданы и проданы в коммерческом масштабе газовые двигатели без сжатия. В 1860 г. Этьенн Ленуар запатентовал двигатель без сжатия, и порядка 600 единиц было продано. Николаус Отто совместно с Юджином Лэндженом учредил компанию, которая с 1862 г. занималась продажей усовершенствованных двигателей без сжатия с улучшенной надежностью и более высоким КПД. Анализ термодинамических принципов, на которых основывались эти двигатели, показал, что вышеприведенное уравнение является искусственным признаком циклов двигателей, в котором отношение сжатия и расширения равно. Более того, термин «степень сжатия» накладывает дезориентирующий акцент на сжатие, когда в действительности имеет место расширение, которое приводит к преобразованию тепла в механическую энергию.
В 1710 г. Томас Ньюкомен и Джон Коули изобрели паровой двигатель, работающий при атмосферном давлении. Пар при низком давлении мог заполнять цилиндр. Последующая конденсация пара путем охлаждения водой использовалась для образования механической энергии через атмосферный ход, посредством чего созданный вакуум позволял давлению атмосферы поджимать поршень книзу цилиндра. Таким способом выделялась атмосферная работа. На языке термодинамики атмосферный принцип звучит, как способность двигателя отводить тепло при низкой температуре. Двигатель обладал низким КПД, поскольку горячие и холодные процессы протекали в одной камере, таким образом, большая часть тепла терялась, передаваясь материалам двигателя. Позже данная проблема была рассмотрена Джеймсом Уоттом, который соединил горячий цилиндр с отдельной охладительной камерой через трубку с клапаном. Уотт также начал использовать избыточное давление пара для выработки энергии в течение хода поршня вверх, даже при низком давлении.
В 1823 г. Сэмюэль Браун усовершенствовал двигатель внутреннего сгорания на основе атмосферного принципа. Он использовал быстрое сгорание газовоздушной смеси в цилиндре для удаления большей части газа перед охлаждением остающегося газа водораспылением, чтобы создать частичный вакуум, который позволял газовой среде двигать поршень. На данном этапе, возможно, имело место нежелание использовать избыточное давление для генерирования работы из-за низкого и ненадежного предела прочности доступных материалов. Хотя двигатель использовался для движения транспортного средства, он обладал низким КПД, так как избыточное давление, образованное сгоранием, вымещалось в атмосферу.
Двигатели без сжатия Ленуара и Отто, приводились в действие движением поршня за часть его хода всасывания смеси воздуха и светильного газа и последующего воспламенения указанной смеси. Повышение температуры увеличивало давление, которое приводило в движение поршень для выполнения остатка его хода. Шток и кривошипно-шатунный механизм, которые были хорошо известны из областей применения паровых машин, не использовались. В двигателе Отто-Лангена поршень двигался под влиянием давления сгорания кверху вертикального цилиндра до тех пор, пока не останавливался от воздействия комбинации его веса и частичного вакуума, который развивался позади поршня в результате инерции поршня, пронесшей его за положение равновесия с атмосферным давлением. Далее указанный частичный вакуум увеличивался по причине охлаждения газа водораспылением. Атмосферное давление вынуждало поршень двигаться вниз цилиндра. По мере ходя поршня вниз, он приводил в движение маховик через зубчатую рейку, которая заходила в зацепление с шестерней, набегающей на вал маховика с помощью односторонней муфты. Следовательно, данный двигатель использовал и принцип давления, и принцип газовой среды. Несмотря на то, что такой двигатель работал в широком диапазоне температур, потери при охлаждении были высоки, так как горячие и холодные процессы протекали в одном и том же цилиндре, и, таким образом, он отличается от настоящего изобретения в этом аспекте.
После последующего изобретения Отто в 1876 г., относящегося к двигателю сжатия, который использовал механизм кривошипа и штока, развитие двигателей без сжатия было почти полностью оставлено. Отто сильно продвинул принцип сжатия, надеясь, что его патент даст ему монополию на свое производство. Работая с Готтлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, Отто имел производственную мощность для введения своего новшества в производство. Однако его патент прекратил действие в 1886 г. после выхода в свет технического проспекта Бо де Роша. Такое обстоятельство позволило оставить данную стезю свободной для других производителей, желающих представить свои собственные продукты.
С того времени двигатель сжатия безраздельно господствовал в четырехтактном или двухтактном облике с искровым зажиганием или с воспламенением от сжатия. Поршень и цилиндр все еще являются преобладающим механизмом с изменяемым объемом, при этом двигатель Ванкеля находит применение в областях, где удельная мощность на единицу массы более важна, чем экономия топлива. Все данные двигатели имеют общий термодинамический цикл на основе очень похожего сжатия и общую характерную особенность, заключающуюся в том, что все процессы в цикле протекают в одной камере и, следовательно, отличаются от настоящего изобретения в этом аспекте.
Хорошо известным способом сокращения потерь цикла является регенерация тепла. Тепло в отработавшем газе скапливается и возвращается к части цикла, где его воздействие может заменить нагревание топливом и, таким образом, уменьшить количество требуемого топлива. Впервые регенерация была продемонстрирована в калорическом двигателе, запатентованном доктором Робертом Стирлингом в 1816 г. Регенератор представляет собой теплообменник газа к твердому веществу, где проходящий поток горячих газов протекает через и нагревает твердое вещество. Затем проходящий поток холодного газа в противотоке возвращает себе тепло. Такая технология является наиболее предпочтительной в циклах, где нагревающий газ и нагретый газ имеют одинаковую массу и охлаждаются и нагреваются соответственно при одинаковых условиях и между одинаковыми температурными пределами. Данная технология имела некоторый успех в газовых турбинах. Ввиду непрерывной природы потока у этих двигателей тепло может передаваться теплообменником от газа газу или теплообменником, чередующим связующее вещество. Преимущества данной технологии ограничены тем, что даже в идеальном цикле невозможно извлечь все бросовое тепло, так как было бы необходимо охлаждать выхлоп турбины до температур окружающей среды. Это не возможно, поскольку тепло должно передаваться воздуху на выходе компрессора, а данный воздух был нагрет адиабатным процессом сжатия с адиабатическими потерями и, таким образом, превышает температуры окружающей среды на несколько сотен градусов. Следовательно, можно восстановить лишь некоторую часть тепла. Данная ситуация может быть усовершенствована, если в процессе сжатия использовать промежуточное охлаждение.
Многими специалистами в данной области техники были предложены способы применения регенерации к объемным двигателям внутреннего сгорания. Они могут быть классифицированы следующим образом: стерлинговые двигатели внутреннего сгорания; двигатели Отто с добавлением в цилиндре регенерации; и двигатели с разделенным циклом, в которых впуск и сжатие, и сгорание и выпуск протекают в отдельных цилиндрах, а регенерация происходит между цилиндрами.
В стерлинговом двигателе горячий и холодный объемы постоянно сообщаются через регенератор и, следовательно, отличаются от настоящего изобретения в этом аспекте. Воздух перемещается в горячее пространство и получает тепло от регенератора. Затем указанный воздух расширяется, выполняя работу, в то время как тепло переносится в воздух, поддерживая его температуру. В стерлинговом двигателе внутреннего сгорания такое тепло подают от сгорания топлива в горячем пространстве. Таким образом, температура нагрева в цикле ограничена пределами материалов регенератора и цилиндра нагрева. Указанная температура будет намного ниже, чем адиабатическая температура сгорания топлива, и поэтому хотя стерлинговый цикл теоретически способен приблизиться к своему пределу Карно, такой предел будет меньше, чем цикл, который мог бы работать с адиабатической температурой сгорания.
В цикле Отто все процессы происходят в одном цилиндре. Такая конструктивная особенность обладает преимуществом простоты и позволяет поршню и цилиндру оставаться при сравнительно низкой температуре, при этом, в то же время предельной температурой в цикле является адиабатическая температура сгорания топлива. Недостаток заключается в том, КПД цикла представляет функциональную зависимость отношения температуры сгорания и температуры выхлопных газов. Указанная температура выхлопных газов намного выше, чем температура окружающей среды и КПД цикла, таким образом, ниже, чем КПД Карно двигателя, использующего такую же более высокую температуру. Также материалы, составляющие оболочку, намного прохладнее, чем сам по себе процесс, таким образом, потери при охлаждении высоки. К настоящему времени уже предпринимались попытки по размещению движущегося регенератора в пределах цилиндра. Это усложняет процесс сгорания и вследствие этого происходит повышение температуры от сжатия, и возможна регенерация лишь некоторой части тепла. Отсюда, проблема потерь при охлаждении не решена.
Двигатели с разделенным циклом допускают выполнение процесса охлаждения в отдельном цилиндре от процесса нагрева, и регенератор может находиться в канале между цилиндрами. Использование сжатия означает, что давления при сгорании высоки и для управления потоком используют тарельчатые клапаны. Они влияют на создание существенного мертвого объема из-за изогнутого прохода, требуемого позади клапана. Повышение температуры сжатия ограничивает часть регенерации. Эти циклы в какой-то степени движутся к сокращению потерь при охлаждении, однако если используется обычная жидкостная смазка поршня, это ограничивает температуру стенки до 300°С. Было предложено использование сухой смазки. Этот способ известен из специальных исследовательских двигателей, которые характеризуются оптическим окном в области сгорания. Потери на трение очень высоки, что является приемлемым в этой специализированной области применения, но не в практическом двигателе.
Ни одно из предложенных до настоящего времени усовершенствований не может, даже в идеальном цикле, регенерировать все бросовое тепло. Кроме того, ни один из усовершенствованных двигателей не предлагает существенное предотвращение потерь при охлаждении. По этой причине они обычно требуют 10%-15% повышения КПД по сравнению с двигателем без регенерации. Целью настоящего изобретения является достижение намного большего повышения от 30% до 40%, получая полный КПД в интервале от 70% до 80%. Указанная цель достигается за счет восстановления по существу всего бросового тепла и в то же время значительного сокращения потерь при охлаждении.
Настоящее изобретение может использовать технологии бесконтактного уплотнения, включая лабиринтные уплотнения или линейные воздушные опоры. В машиностроении существует много случаев, когда при давлении текучая среда должна удерживаться в пределах камеры, тогда как в это же время требуется механическая передача вращения или прямолинейного движения. В большинстве случаев может использоваться эластичное уплотнение, которое устанавливается на одной поверхности и упирается в гладкую поверхность при относительном движении, чтобы ограничить или предотвратить поток текучей среды при приложении определенного уровня потери на трение. Однако существуют обстоятельства, когда такие твердые уплотнения не приемлемы из-за высокой скорости движения, высокой температуры или в силу того, что некоторые потери давления могут быть допущены в обмен на сокращение потери на трение. В данных случаях не используются контактные уплотнения.
Что касается лабиринтного уплотнения, то здесь поверхности при относительном движении отделены небольшим зазором. Поток газа через такой зазор сводится к минимуму за счет создания на поверхностях элементов, разработанных для формирования максимального сопротивления потоку. Поршни с лабиринтным уплотнением представляют собой поршни, жестко монтируемые на штоке поршня. Такой шток ограничен направляющей качения и направляет поршень вверх и вниз цилиндра без контакта со стенками цилиндра. Указанный поршень имеет рифленый профиль на его боковых поверхностях, которые создают сопротивление потоку текучей среды через зазор. Данная методика успешно используется в насосах швейцарской компании «Burckhardt Compression AG», которые работают при криогенных температурах, при которых использование масляных смазок исключено. Чтобы минимизировать изменение диаметра поршня из-за температуры для поддержания минимального зазора, используют материалы с низкими коэффициентами расширения.
Для использования линейной воздушной опоры, подача сжатого воздуха направляется по каналу с тем, чтобы возникнуть в ряде точек по боковой поверхности поршня. Поршень вновь приводится в движение штоком поршня, который не прикладывает внеосевые усилия к поршню. Поршень направляется в отверстии цилиндра без контакта, поскольку, когда поршень становится ближе к одной стороне расточки цилиндра, поддерживающее усилие воздуха будет больше, стремясь повторно центрировать поршень.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В 1710 г. Томас Ньюкомен и Джон Коули продемонстрировали атмосферный паровой двигатель.
В патенте №4874 Сэмюэля Брауна «Обеспечение вакуума и, таким образом, образование усилий» 1823 г. раскрыт атмосферный двигатель внутреннего сгорания.
В патенте №5456 Роберта и Джеймса Стирлингов 1827 г. описан двигатель с воздухом в качестве рабочего агента, содержащий принцип регенерации тепла.
В патенте №335 Ленуара «Усовершенствования получения движущей силы и машины или устройства, используемые для указанного получения движущей силы» 1860 г. описан двигатель внутреннего сгорания без сжатия.
В патенте Николауса Отто №2098 1863 г. описан двигатель, который получает энергию от комбинации сгорания без сжатия и охлажденного атмосферного хода.
В патенте Этьена Ленуара и Николауса Отто №434 1866 г. раскрыта усовершенствованная версия двигателя Отто 1863 г.
h
В патенте США №155087 Хирша (Hirsch) 1874 г. раскрыт двигатель внутреннего сгорания с циклом Стирлинга. К интересным особенностям указанного двигателя относятся горячий цилиндр с огнеупорной футеровкой и самовозгорание топлива в таком горячем цилиндре. Охлаждение водораспылением используется в холодном цилиндре. В данном двигателе большая часть рабочего газа циклически возвращается и далее проходит через регенератор, расположенный между горячим цилиндром и холодным цилиндром. Небольшое количество чистого воздуха и топлива нагнетается в горячий цилиндр, и получающееся возгорание поддерживает температуру горячего цилиндра. Способ обеспечения огнеупорной футеровки ограничил бы двигатель низкочастотной работой. Изотермическое сгорание обеспечило бы предельную температуру T в цилиндре намного ниже, чем адиабатическая температура сгорания. Отсюда, хотя указанный цикл потенциально мог бы приблизиться к его КПД Карно, данный КПД Карно был бы ниже, чем у двигателя по настоящему изобретению, а его работа основана на полностью отличном цикле.
Патент С.В.Сименса №2504 от 1881 г. раскрывает двигатель внутреннего сгорания с регенератором, встроенным в головку блока цилиндров.
В патенте США №7201156 Вэйта (Wait) справедливо указано, что регенерация должна обеспечивать эффективность двигателя при низких степенях сжатия, однако не предлагает двигателя без сжатия. Раскрытый двигатель имеет обычный четырехтактный цикл, но при этом бросовое тепло добавляется до такта сжатия. Такая особенность обеспечивает хорошую регенерацию тепла, так как перед передачей отсутствует нагревание при сжатии. К сожалению, отсутствует какое-либо преимущество в добавлении тепла в данный момент времени в цилиндре, поскольку отсутствует способ преобразования тепла в энергию. Следуя такой технологии, процесс охлаждения и сгорания, несомненно, будет усложнен.
В патенте США 111184 Кенига (Koenig) двигатель представляет собой двигатель с разделенным циклом, в котором цилиндр сжатия меньше, чем цилиндр расширения. Необходимость сведения к минимуму нагревания при сжатии до регенерации допускается путем обеспечения цилиндра сжатия с высокой внутренней поверхностью для снижения политропного показателя. В указанном решении продемонстрировано хорошее понимание термодинамики, однако на схеме представлены очень маленькие проходные сечения клапанов по сегодняшним стандартам. Проблема охлаждения силового цилиндра не решена.
В заявке на патент США №2003049139, Коний и др. (Coney), раскрыт двигатель, совершенствующий идею Кенига путем применения очень высокой степени сжатия с охлаждением распылением, чтобы привести процесс сжатия почти в изотермическое состояние. Такая особенность способствует хорошему уровню восстановления бросового тепла, однако применение исключительно высоких давлений будет препятствовать мерам по снижению потерь при охлаждении. Раскрытый двигатель направлен на области применения, требующие создания больших мощностей, и, по сути, очень усложнены наличием нескольких теплообменников. Таким образом, они вряд ли будут экономичны в небольших областях применения.
В патентах США №№7004115 и 7219630 Паттона (Patton) не только устанавливаются преимущества низкого сжатия в двигателе с регенерацией тепла, но и действительно предлагается двигатель без сжатия. В указанном документе раскрыт двигатель с регенерацией, однако не упоминаются какие-либо меры по сокращению потерь при охлаждении.
В патенте США №3729927 Гревса (Graves) 1972 г. раскрыт двигатель без сжатия, который отличается от двигателя Ленуара тем, что сгорание происходит в отдельной камере, а расширяющие продукты горения входят в цилиндр через откидной клапан. Это позволяет использовать весь ход поршня для расширения. Отдельная камера сгорания будет обладать высокими потерями при охлаждении, а откидной клапан будет работать очень горячим. Регенерация не используется и никакой заявки на высокий КПД не делается.
Публикация WO/1983/000187, Виден, Карл-Олоф, Магнус (WIDÉN, Karl-Olof, Magnus), раскрывает двигатель без сжатия. Указанный двигатель действует как двигатель Ленуара, содержащий шатун и кривошипно-шатунный механизм. Регенерация не используется и никакой заявки на высокий КПД не делается.
В патенте США №4300486 Лоузера (Lowther) 1979 г. предложено использование двигателя без сжатия, прежде всего для автомобильного использования, где процесс сгорания обеспечен сжатым воздухом из цилиндра. Таким образом, процесс выработки энергии все еще использует цикл сжатия, но процесс разделен таким образом, что энергия на сжатие не поступает из топлива, которое переносится в транспортном средстве. В данном техническом решении нет ни одного предложения по использованию процесса регенерации. Следовательно, данное решение отличается от настоящего изобретения.
В патенте Японии №1439446 1973 г., принадлежащем «Ниссан Мотор Компани» («Nissan Motor Company»), поршневой расширитель приводится в движение взрывчатой реакцией топлива и жидкого окислителя, такого как перекись водорода или жидкий кислород, без использования атмосферного воздуха. Таким образом, отсутствует потребность в сжатии. Однако нет никакого предложения по использованию регенерации. Следовательно, данное решение отличается от настоящего изобретения.
В патенте США №7111449 В1 Стеббингса (Stebbings) 2006 г. предложен реактивный двигатель, который имеет систему газовой рециркуляции вместо обычного турбинного и ротационного компрессора. Однако из пункта 1 формулы изобретения ясно следует, что цель этой системы заключается в том, чтобы обеспечить сжатие. Также заявлено, что тепло от газа, подверженного рециркуляции, обеспечит благоприятный эффект регенерации теплоты. Однако, как и в случае в патенте США №7201156, тепло прикладывают к системе до стадии сжатия, где его воздействие будет уменьшать производительность. Следовательно, такое техническое решение представляет собой двигатель сжатия.
Таким образом, ни в одном из вышеуказанных технических решений предшествующего уровня техники не раскрыта комбинация двигателя без сжатия, содержащего регенерирующие средства.
Задача настоящего изобретения заключается в уменьшении проблем предшествующего уровня техники по крайней мере в некоторой степени.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предложен двигатель без сжатия, выполненный с возможностью циклической работы и содержащий регенерирующие средства для регенерации энергии.
Указанный двигатель без сжатия может содержать средства с изменяемым объемом, выполненные с возможностью циклической работы, а указанные регенерирующие средства могут быть выполнены с возможностью возврата части энергии, покидающей средства с изменяемым объемом, обратно к указанным средствам с изменяемым объемом. Двигатель без сжатия может содержать средства для втягивания рабочего объема газа в двигатель.
Регенерирующие средства могут быть выполнены с возможностью подвода тепла к рабочему объему газа по существу при постоянном объеме. Регенерирующие средства могут быть выполнены с возможностью забора энергии от рабочего газа в течение рабочего цикла средств с изменяемым объемом и возврата энергии в виде тепла в течение последующего цикла средствам с изменяемым объемом.
Средства с изменяемым объемом могут содержать устройство для обеспечения сгорания и расширения. Двигатель без сжатия может содержать топливный ввод, выполненный с возможностью введения топлива в устройство для обеспечения сгорания и расширения для сгорания топлива в указанном устройстве, устройство для обеспечения сгорания и расширения может содержать поршень и цилиндр. Устройство для обеспечения сгорания и расширения может содержать лабиринтное уплотнение или воздушный подшипник, расположенные между его подвижными частями. Устройство для обеспечения сгорания и расширения может содержать камеру сгорания, соединенную через сопло с турбинным колесом. Устройство для обеспечения сгорания и расширения может быть изготовлено из термостойкого материала, выбранного из группы, содержащей нержавеющую сталь, жаростойкие сплавы и техническую керамику.
Двигатель без сжатия может содержать клапанную систему, выполненную с возможностью управления потоком рабочего газа к регенерирующим средствам или от них. Клапанная система может содержать подвижный элемент с размещенными на нем регенерирующими средствами. Подвижный элемент может содержать поворотный диск, выполненный с возможностью обеспечения поворота регенерирующих средств между первым положением, в котором указанные средства передают энергию рабочему газу, входящему в устройство для обеспечения сгорания и расширения, и вторым положением, в котором указанные средства забирают тепло от рабочего газа, покидающего устройство для обеспечения сгорания и расширения.
Средства с изменяемым объемом могут содержать устройство для обеспечения впуска и вытеснения, имеющее впускной клапан. Устройство для обеспечения впуска и вытеснения может содержать поршень и цилиндр.
Клапанная система может быть выполнена с возможностью управления сообщением между устройством для обеспечения сгорания и расширения, устройством для обеспечения впуска и вытеснения и регенерирующими средствами.
Средства с изменяемым объемом могут содержать средства для обеспечения атмосферного хода. Указанные средства для обеспечения атмосферного хода могут содержать атмосферный охладитель. Атмосферный охладитель может содержать распылительную систему для распыления жидкости в газ для отвода тепла. Жидкость может быть водой и может содержать присадки. Атмосферный охладитель может содержать поршень и цилиндр. Атмосферный охладитель может иметь выпускной клапан, сообщающийся с атмосферой.
Двигатель без сжатия может содержать коленчатый вал, выполненный с возможностью приведения в движение устройства для обеспечения впуска и вытеснения, устройства для обеспечения сгорания и расширения и атмосферного охладителя. Устройство для обеспечения сгорания и расширения и атмосферный охладитель могут быть выполнены с возможностью приведения в движение с разностью фаз 180 градусов по отношению друг к другу. Устройство для обеспечения впуска и вытеснения может обладать более коротким ходом, чем устройство для обеспечения сгорания и расширения и атмосферный охладитель. Двигатель без сжатия может содержать дисковый кулачок и ролик, работающий по данному кулачку, выполненные с возможностью приведения в движение коленчатым валом для управления устройством для обеспечения впуска и вытеснения. Двигатель без сжатия может содержать клапаны, выполненные с возможностью работы в режиме перемещения посредством распределительного вала для устранения мертвого объема при их закрытии.
Клапанная система может быть выполнена с возможностью управления сообщением между устройством для обеспечения сгорания и расширения, устройством для обеспечения впуска и вытеснения, регенерирующими средствами и атмосферным охладителем.
Регенерирующие средства могут содержать регенерирующий элемент, выполненный с возможностью накопления, хранения и передачи энергии, причем регенерирующий элемент содержит поточный канал для прохода через него рабочих газов.
Задачей настоящего изобретения является повышение КПД двигателей внутреннего сгорания. Отправной точкой является двигатель без сжатия, который имеет преимущества, обеспечивают двигатель с очень высоким КПД цикла и существенным сокращением потерь при охлаждении. Отсутствие сжатия означает, что рабочий газ изначально находится при температуре окружающей среды и, таким образом, может принимать высокий процент бросового тепла. Для воплощения преимущества от данного тепла, необходимо ограничить газ при постоянном объеме в течение регенерации тепла. Чтобы избежать потерь при охлаждении, процессы, вызывающие охлаждение, следует выполнять в отдельной оболочке от горячего процесса. Оболочка горячего процесса в идеале должна обладать способностью работать при температуре между температурой регенерации и температурой сгорания. Указанная температура находится в интервале от 726,85°С до 1726,85°С (от 1000К до 2000К) в зависимости от предельной проектной температуры и используемой степени расширения. Полный анализ этого первого варианта реализации настоящего изобретения показал, что не вполне возможно соответствовать идеальной цели регенерации всего бросового тепла. Этот эффект имеет место по причине того, что выпуск отработавших газов в атмосферу через регенератор представляет собой процесс с постоянным давлением, тогда как регенеративное нагревание газа является процессом с постоянным объемом. Теплоемкость газа при постоянном объеме составляет только 70% теплоемкости при постоянном давлении, таким образом, даже если массовый расход и температурные пределы будут одинаковы, передаваемая энергия будет отличаться. Соответственно регенератор не будет полностью охлажден и, следовательно, будет не в состоянии охладить выхлопные газы до температуры окружающей среды. По этой причине будут возникать некоторые потери цикла.
Второй вариант реализации настоящего изобретения устраняет вышеопределенный недостаток. После расширения обеспечено перемещение газа через регенератор в дополнительный механизм с изменяемым объемом равного объема таким образом, что перемещение в этот момент происходит при постоянном объеме. Таким образом, регенерация может быть полной. Кроме того, в этот момент газ находится все еще в его расширенном объеме, но возвратился к температуре окружающей среды. Таким образом, давление будет значительно ниже атмосферного давления. Атмосферная работа будет выполнена посредством сжатия газа усилием атмосферы. Однако если будет выполнено такое действие, газ подвергнется адиабатическому нагреванию, в результате чего выпускные газы будут выше температуры окружающей среды. Указанная температура выхлопных газов может быть снижена до некоторой степени путем охлаждения цилиндра. Сжатием возможно достигнуть почти изотермического состояния, но только в том случае, если вода распыляется в газ по мере его сжатия. Таким образом, такт отвода тепла в цикле будет по существу протекать при температуре окружающей среды, максимально повышая КПД Карно. Если существует возможность охлаждения воды при подаче ниже температуры окружающей среды посредством использования, например, системы охлаждения, приводимой в действие отходящей энергией, или охлаждения испарением в охлаждающей башне, то возможно достижение дополнительного повышения КПД.
Первый вариант реализации настоящего изобретения обеспечивает двигатель, который менее эффективен, чем двигатель по второму варианту реализации настоящего изобретения, хотя более эффективный, чем двигатели современной технологии. Такой двигатель может найти применения в областях, где минимальные затраты и размер представляют особую важность.
Охлаждение водораспылением сжимающегося газа будет иметь дополнительное преимущество в том, что оно будет конденсировать воду, сформированную сгоранием топлива, содержащего водород, вызывая дополнительное падение давления. От современных двигателей требуется испускание очень ограниченных количеств окисей азота (NOx), которые формируются в течение высокотемпературного горения. Эти газы имеют ограниченную растворимость в холодной воде, таким образом, процесс будет обладать некоторым преимуществом по очистке выхлопных газов. Данный процесс очистки может быть улучшен за счет присадочных реагентов. Окиси серы, которые также могут образовываться в случае сгорания серосодержащего топлива, имеют очень высокую растворимость в холодной воде. Некоторый углекислый газ будет растворен в холодной воде. Альтернативно раствор щелочных гидроокисей мог бы использоваться для удаления углекислого газа из выхлопа. Получающийся карбонат мог бы быть обработан в системе отделения углерода. Другой принцип сдерживания образования NOx заключается в обеспечении предотвращения образования избыточного кислорода при работе двигателе с неполной нагрузкой и, следовательно, с уменьшенной подачей топлива. Это может быть выполнено посредством регулируемого смешивания выхлопного газа с воздухом на входе. Этот процесс упрощен тем, что выхлопной газ, покидающий двигатель, является холодным. Альтернативно образование NOx может быть снижено за счет ограничения предельной температуры сгорания. При температурах ниже 1426,85°С (1700К) NOx фактически не образуется, а до 1726,85°С (2000К) образуется в ограниченных количествах. Указанная пониженная температура все же влияет на снижение эффективности, однако такое влияние ограничено из-за необычно холодной температуры отвода тепла. Будет очевидно, что выхлоп содержит очень мало энергии и, поэтому, будет выходить из двигателя совершенно бесшумно. Меры, описанные выше, приведут в результате к образованию холодного выхлопа и, следовательно, обеспечат минимальные потери цикла.
Проблема потерь при охлаждении остается ввиду разницы температуры между процессами горячего сгорания и расширения и материалами, которые формируют оболочку. Такой перепад температур служит причиной конвективного потока тепла в материал, пропорционального перепаду температур. Поток излучения пропорционален разнице между усилиями газа в дальнейшем и температурами стенок. Температура поверхности оболочки обычно ограничена требованиями по обеспечению скользящего уплотнения в пределах механизма с изменяемым объемом. В случае масляных смазок температура стенок обычно составляет от 150°С до 300°С. По этой причине отсутствует требование по использованию жаростойких материалов. Это означает, что в обычном двигателе тепло протекает из горячего процесса по всей горячей части цикла. Более низкие давления, которые образуются в результате процесса без сжатия, позволяют использовать бесконтактные уплотнения. Данное обстоятельство устраняет температурное ограничение, накладываемыми скользящими уплотнениями, делая ограничивающим фактором высокотемпературные свойства материалов. Большинство материалов обладают более низкой стойкостью при возрастании температуры, однако и в этом случае режим низкого давления, в котором работает двигатель без сжатия, предъявляет облегченные требования к материалам по сравнению с двигателем, работающим при более высоких давлениях, или турбинными машинами, в которых центробежные нагрузки очень высоки.
Материалы из технической керамики, содержащие окись алюминия и кремниевый карбид, имеют благоприятные свойства, к числу которых относятся стойкость при высоких температурах и низкий коэффициент расширения. Температурное напряжение и тепловой удар будут важными факторами при конструировании. Задачей множества специалистов в данной области техники было применить эти материалы для обычных двигателей, однако существует больший синергетический эффект между свойствами данных материалов и требованиями двигателей без сжатия. Структуры с тонкими стенками предпочтительны при таких обстоятельствах и дополнительное преимущество двигателя без сжатия состоит в том, что рабочее давление имеет порядок величины приблизительно ниже, чем двигатель сжатия, позволяя использовать оболочку с тонкими стенками. Настоящее изобретение может иметь применение по всему размерному ряду, известному в выпускаемых двигателях. Если компоненты горячих оболочек сравнительно небольшие, их предпочтительно изготавливать полностью из керамики. Если компоненты оболочек большие, предпочтительными являются металлические структуры, футерованные керамикой. Таким образом, температура стенок оболочки в области 1400°С возможна.
Следовательно, теплопередача от газа к стенке будет значительно снижена. В альтернативном варианте реализации возможно использование для горячих оболочек жаростойкие сплавы, включающие Хейнс 118, Хейнс 230, Хастеллой X, или материалы из нержавеющей стали, к числу которых относится Fecralloy (сплав на основе Fe-Cr), или тугоплавкие металлы, включая вольфрам или тантал.
Дополнительное преимущество, обеспеченное сравнительно низким рабочим давлением двигателя без сжатия, состоит в том, что отсутствует необходимость использования тарельчатых клапанов для запирания газа в пределах расширителя. Тарельчатые клапаны имеют недостаток, заключающийся в том, что позади них необходимо выполнить изогнутый канал, чтобы обеспечить поддержку направляющей клапана в пределах стенки канала. Это означает то, что образуется значительный мертвый объем газа, что является конкретным недостатком в двигателе, где циклические процессы происходят по меньшей мере в двух оболочках. Клапаны, которые работают посредством регулируемого выравнивания окон в пределах тонкопластинчатых элементов путем относительного перемещения одного или обоих элементов, могут использоваться при давлениях, созданных в двигателях без сжатия. Указанное перемещение может быть линейным, вращательным или следовать более сложной траектории, определяемой дисковыми кулачками, кулисными механизмами, сервомеханизмами или любыми другими известными средствами. Поворотный механизм обладает преимуществом, состоящим в том, что для сдерживания давления возможно использование кольцевого бесконтактного уплотнения. Это может быть полезным, поскольку компонент будет слишком горяч для обычных способов смазки. Более низкое давление и тот факт, что блок испытывает давление только в течение хода расширения, означает, что бесконтактное уплотнение возможно использовать без привлечения недопустимых потерь. Для облегчения вращения возможно использование дорожек для качения шариков.
Альтернативно возможно использование клапанной системы, которая разработана для минимизации мертвого объема. Это может быть достигнуто, если движущийся элемент, который открывает и закрывает клапан, имеет точную посадку в сечении корпуса, подобно поршню в цилиндре. Когда рабочая поверхность клапана снижается к его притирке для закрытия клапана, газ в пределах клапана вытесняется действием поршня. Такая система позволяет использовать статический регенератор. Данная особенность устраняет один из недостатков движущегося регенератора, в котором применимая температура матрицы регенератора подлежит ограничению, для обеспечения того, что материал обладает достаточной прочностью для выдерживания напряжений, вызванных движением.
Дополнительное преимущество настоящего изобретения состоит в том, что условия сгорания отличаются от обычных двигателей. В традиционных двигателях с воспламенением от сжатия топливо распыляется в газ, который к тому моменту уже был нагрет сжатием. Капельки нагреваются и начинают испаряться, поскольку давление пара превышает давление газа. Давление газа является очень высоким, таким образом, точка кипения топлива также высока. Кроме того, рядом со стенками оболочки имеется слой воздуха, который намного прохладнее и оказывает охлаждающее воздействие на сгорание. В настоящем изобретении температура газа подобна или выше, чем в обычном двигателе с воспламенением от сжатия, тогда как давление намного ниже. Таким образом, топливо испарится более быстро. Кроме того, высокая температура стенок устранит эффект охлаждения в данной области. Следовательно, можно будет проектировать двигатели для работы в широком диапазоне топлива, включая, в некоторых применениях, порошкообразное твердое топливо.
Дополнительное преимущество двигателей без сжатия состоит в том, что такие двигатели имеют высокое рабочее отношение. Данное отношение представляет собой отношение полезной работы, выводимой из двигателя, по сравнению с работой, выполненной на рабочем ходу. В двигателях сжатия рабочее отношение снижено необходимостью выполнения работы на сжатие. Преимущество двигателей с высоким рабочим отношением состоит в том, что действительный КПД стремится приблизиться к теоретическому КПД при сравнении с двигателями, имеющими более низкое рабочее отношение.
Дополнительное преимущество, обусловленное низким давлениям в двигателях без сжатия, заключается в том, что стенки оболочки могут быть более тонкими. Такая особенность влияет на снижение массы двигателя, что само по себе является преимуществом, особенно в транспортных областях применениях, и также снижает теплоемкость. Это означает, что, если двигатель служит для удовлетворения временных потребностей, потери, вовлеченные в нагревание массы двигателя, будут минимизированы. В дополнение легкий запуск, который обуславливается отсутствием необходимости проворачивания двигателя через ход сжатия, делает двигатель более удобным для его остановки в течение периодов, когда никакая мощность не требуется, таким образом, существенно уменьшая неэкономичный процесс холостого хода. В некоторых областях применения, таких как морская силовая установка, удобно запускать двигатель время от времени в обратном направлении, так как это устраняет потребность в коробке передач. Благодаря правильной конструкции приводного механизма для клапана и устройства для обеспечения впуска и вытеснения такая работа двигателя возможна. До настоящего момента описание относилось к одному рабочему модулю, который является эквивалентом традиционного одноцилиндрового двигателя. Настоящее изобретение равным образом применимо к многомодульным конструкциям, которые были бы эквивалентом обычных многоцилиндровых двигателей. Многомодульный блок обеспечивает преимущество более гладкой подачи мощности и устранения инерционных сил от совершающих возвратно-поступательные движения компонентов и мог быть разработан с возможностью самопуска. Исходя из нижеследующего подробного описания отметим, что двигатели имеют два или три механизма с изменяемым объемом на каждый модуль. В многомодульных блоках, по причине компоновки, может быть удобным иметь разное количество механизмов с изменяемым объемом каждого типа. Например, одно устройство для обеспечения впуска и вытеснения может обслуживать более чем одно устройство для обеспечения сгорания и расширения.
Нежелательная характеристика двигателей сжатия состоит в том, что, если двигатель запускают с числом оборотов ниже минимального, то двигатель будет не в состоянии завершить ход сжатия, и заглохнет. Двигатель без сжатия не имеет эквивалентной характеристики. Если двигатель будет нагружен свыше своей способности по поддержанию его частоты вращения, то он постепенно будет снижать частоту вращения вплоть до остановки.
Многие из используемых компонентов внешне подобны компонентам, используемым в двигателях предшествующего уровня техники. Однако функции их отличны, для избегания путаницы, ниже представлены определения следующих терминов:
Двигатель без сжатия представляет собой объемный двигатель, в котором дискретные объемы газа циклически втягиваются в двигатель и затем нагреваются для повышения своего давления без предварительно уменьшения объема в процессе сжатия.
Двигатель с регенерацией тепла представляет собой двигатель, в котором тепло, остающееся в газе после расширения, захватывается и возвращается к последующему циклу в момент, когда его нагревательный эффект может использоваться для снижения количества нагрева, требуемого сгоранием. Такая методика снижает потребность в топливе и, следовательно, увеличивает эффективность.
Регенерирующие средства представляют собой любой блок компонентов, которые могут облегчить регенерацию тепла. Все термодинамические циклы, которые способны вырабатывать механическую энергию, принимают тепло при более высокой температуре на одной фазе в пределах цикла, и затем отводят тепло при более низкой температуре позднее в течение данного цикла. Таким образом, некоторое или все отклоненное тепло должно храниться в течение некоторого периода времени, пока не возникнет момент нагрева в следующем цикле. Представленный ниже регенератор является предпочтительным способом достижения этого. Альтернативным способом является теплообменник, в котором два объема газа в потоке отделены твердой поверхностью, которая обладает большой площадью и которая способна пропускать тепло от более горячего потока к более холодному потоку. Временное несовпадение между моментами отклонения и приема тепла может рассматриваться при наличии двигателя со множеством модулей. Разность фаз между двумя модулями организована таким образом, что момент отклонения тепла в одном модуле совпадает с моментом приема тепла в другом, и, таким образом, потоки объединяются с тем, чтобы отклоняемое в одном модуле тепло принималось в другом.
Механизм с изменяемым объемом представляет собой механизм, который может изменить свой внутренний объем. При совместном использовании с клапанной системой изменение объема может вызвать вытеснение газа в механизм или из него. Когда клапанная система запирает газ в пределах механизма с изменяемым объемом, изменение объема механизма будет изменять объем газа. Поршень, движущийся в цилиндре, является самым известным механизмом с изменяемым объемом и является предпочтительным механизмом для использования в настоящем изобретении, хотя известны многие другие механизмы с изменяемым объемом, и настоящее изобретение равным образом применимо и к ним. Предпочтительно минимальный объем или объем зазора должен быть выполнен как можно меньшим, чтобы уменьшить мертвый объем.
Устройство для обеспечения впуска и вытеснения - это механизм с изменяемым объемом, который втягивает и ограничивает объем газа. Далее, указанный механизм вытесняет данный газ в устройство для обеспечения сгорания и расширения по существу при постоянном объеме.
Устройство для обеспечения сгорания и расширения - это механизм с изменяемым объемом большего максимального объема, чем устройство для обеспечения впуска и вытеснения с отношением 2 к 20, предпочтительно 5 к 12. Указанный механизм принимает объем газа от устройства для обеспечения впуска и вытеснения в течение первой части его хода, причем величина увеличения объема по существу уравнивается с уменьшением объема в устройстве для обеспечения впуска и вытеснения. Следовательно, газ остается по существу при постоянном объеме. Процесс сгорания происходит в устройстве для обеспечения сгорания и расширения либо в течение вытеснения, либо сразу после вытеснения. Затем устройство для обеспечения сгорания и расширения завершает свой ход, позволяя горячему газу расширяться, преобразуя часть тепла в работу. Далее, обратный ход вытесняет газ из устройства для обеспечения сгорания и расширения в атмосферный охладитель.
Атмосферный охладитель представляет собой механизм с изменяемым объемом по существу такого же максимального и минимального объема как устройство для обеспечения сгорания и расширения. Атмосферный охладитель принимает газ, вытесненный из устройства для обеспечения сгорания и расширения, по существу при постоянном объеме в течение всего своего хода увеличения объема. Стенки атмосферного охладителя поддерживаются при низкой температуре, и он может содержать распылительную систему для внутреннего распыления, которая может распылять холодную жидкость в газ для отвода тепла. Поскольку охлажденный газ ниже атмосферного давления, ход уменьшения объема атмосферного охладителя образует атмосферную работу. Как только давление газа уравнивается с атмосферой, клапан открывается в атмосферу, и газ, и любая вода вытесняются в атмосферу или в систему выпуска отработавших газов, которая может отделять воду от газа и, в случае необходимости, пропускать часть газа к воздухозаборной камере, или к подходящему выходному отверстию. В дополнительном варианте реализации преобразование расширения и получающейся механической энергии может быть выполнено за счет расширении газа через сопло для падения на лопатки турбинного колеса.
Клапанная система представляет собой механизм, который может управляемо открывать и закрывать каналы, обеспечивая поток газа между устройством для обеспечения впуска и вытеснения и устройством для обеспечения сгорания и расширения и между устройством для обеспечения сгорания и расширения и атмосферным охладителем.
Впускной клапан представляет собой управляемый или автоматический клапан, который позволяет потоку газа протекать из атмосферы или из нагнетательной камеры всасывания в устройство для обеспечения впуска и вытеснения.
Выпускной клапан - это управляемый или автоматический клапан, который обеспечивает поток газа из атмосферного охладителя в атмосферу или к системе выпуска отработавших газов.
Регенератор представляет собой устройство с частым разделением, которое содержит набор параллельных пластин, набор трубок или стопу сетчатых элементов, которое имеет большую площадь поверхности и полная теплоемкость которого предпочтительно больше, чем количество добавленного тепла, остающегося в газе после расширения. Конструкция и материалы должны быть такими, чтобы выдерживать температуру газа и тепловой удар температурного цикла. Такая структура будет размещаться в том месте, в котором клапанная система может распределять потоки между устройством для обеспечения впуска и вытеснения и устройством для обеспечения сгорания и расширения и устройством для обеспечения сгорания и расширения и атмосферным охладителем через регенератор. В некоторых вариантах реализации она может быть выполнена за одно целое с клапанной системой.
Представленные в данном описании варианты реализации настоящего изобретения не являются ограничивающими.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее будут описаны варианты реализации настоящего изобретения исключительно в виде примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
На фиг.1 показана возможная компоновка первого варианта реализации настоящего изобретения.
На фиг.2 показана фаза вытеснения рабочего цикла первого варианта реализации настоящего изобретения.
На фиг.3 показана фаза сгорания рабочего цикла первого варианта реализации настоящего изобретения.
На фиг.4 показана фаза расширения рабочего цикла первого варианта реализации настоящего изобретения.
На фиг.5 показана фаза выпуска и впуска рабочего цикла первого варианта реализации настоящего изобретения,
На фиг.6 показана возможная компоновка второго варианта реализации настоящего изобретения.
На фиг.7 показана фаза вытеснения рабочего цикла второго варианта реализации настоящего изобретения.
На фиг.8 показана фаза сгорания рабочего цикла второго варианта реализации настоящего изобретения.
На фиг.9 показана фаза расширения и выпуска рабочего цикла второго варианта реализации настоящего изобретения.
На фиг.10 показана фаза атмосферного охлаждения рабочего цикла второго варианта реализации настоящего изобретения.
На фиг.11 графически показан термодинамический цикл второго варианта реализации настоящего изобретения, с показанными диаграммами зависимости давления от объема и температуры от энтропии.
На фиг.12 показан вариант реализации настоящего изобретения, в котором устройство для обеспечения впуска и вытеснения, устройство для обеспечения сгорания и расширения и атмосферный охладитель имеют привод с одной стороны.
В конструкции двигателя без сжатия присутствуют по меньшей мере один механизм с изменяемым объемом и регенерирующие средства, посредством которых рабочий объем газа всасывается в указанный двигатель, причем указанный газ подают с высокой температурой по существу при постоянном объеме, т.е. без сжатия указанного газа, и некоторая часть тепла подводится к указанному газу регенерирующими средствами путем ее переноса с последующей фазы более раннего цикла.
Первый предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения содержит два механизма с изменяемым объемом, устройство 1 для обеспечения впуска и вытеснения и устройство 2 для обеспечения сгорания и расширения. Рабочий объем газа втягивают в устройство 1. Затем указанный объем вытесняют в устройство 2 по существу при постоянном объеме, с прохождением через регенератор 5, во время чего тепло передают от регенератора 5 к газу. После чего данный газ в устройстве 2 для обеспечения сгорания и расширения дополнительно нагревают от сгорания топлива, что приводит к его расширению для извлечения работы. После этого, газ вытесняют к выпуску из устройства 2 через регенератор 5 с передачей тепла от газа к регенератору 5. В течение действия устройства 2 устройство 1 всасывает следующий рабочий объем газа, и затем цикл повторяется.
Второй предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения содержит три механизма с изменяемым объемом, такие как устройство 1, устройство 2 и атмосферный охладитель 3. Рабочий объем газа втягивают в устройство 1. Затем данный объем перемещают в устройство 2 по существу при постоянном объеме, с прохождением через регенератор 5, и при этом тепло передают от регенератора 5 газу. Далее газ в устройстве 2 дополнительно нагревают от сгорания топлива, затем расширяют для извлечения работы. После чего газ перемещают по существу при постоянном объеме в атмосферный охладитель 3 через регенератор 5 с передачей тепла от газа к регенератору 5. Газ, который в этот момент ниже атмосферного давления, сжимается в атмосферном охладителе 3, с выполнением атмосферной работы. Дополнительно, для выполнения по существу изотермического сжатия, в пределах атмосферного охладителя 3 возможно использовать распылитель воды. Как только давление газа в пределах атмосферного охладителя 3 уравновесится с давлением атмосферы, газ выводят из указанного атмосферного охладителя 3. В течение работы устройства 2 и атмосферного охладителя 3 устройство 1 втягивает следующий рабочий объем газа, и затем цикл повторяется.
В обоих вариантах реализации настоящего изобретения устройство 2 предпочтительно выполнено с возможностью работы при высокой температуре благодаря изготовлению его из жаростойких материалов, к числу которых относятся нержавеющая сталь, жаростойкие сплавы и техническая керамика, а скользящее уплотнение, способствующее изменению объема, должно относится к бесконтактному типу уплотнений, содержащему лабиринтное уплотнение или воздушный подшипник.
Как показано на фиг.1, двигатель первого предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения содержит по меньшей мере один механизм с изменяемым объемом, имеющий меньший рабочий объем, и по меньшей мере один механизм с изменяемым объемом, имеющий больший рабочий объем. Комбинация поршня и цилиндра является общеизвестным примером механизма с изменяемым объемом, однако известны и многие другие, включая лопастные, винтовые, спиральные и диафрагменные механизмы, и механизмы, в которых аналог поршня перемещается или движется возвратно-поступательно по круговой траектории в пределах ротационно-симметричного канала, и такие, которые основаны на камере в форме эпитрохоиды, подобно двигателю Ванкеля. Механизмом с меньшим изменяемым объемом является устройство 1. Механизмом с большим изменяемым объемом является устройство 2. Механизмы с изменяемым объемом сообщаются друг с другом с возможностью управления через клапанную систему 4, которая присоединяет регенератор 5 и которая предпочтительно имеет минимальный внутренний объем. На чертеже клапан представлен в виде диска, который работает на шарикоподшипниках, содержащих лабиринтное уплотнение, окружающее газовый канал. В некоторых вариантах реализации, например в вариантах реализации с большими размерами системы, установка регенератора 5 на движущемся компоненте клапанной системы 4 может оказаться неподходящей, так как альтернативное расположение, в котором компоненты клапанной системы 4 отделены от регенератора 5, было бы предпочтительным. Поворот диска может выравнивать регенератор 5 с проходом от устройства 1 либо с выпускным каналом 12 или переводить этот регенератор в промежуточное положение, когда оба канала закрыты. Устройство 1 сообщается с атмосферой через впускной клапан 6, который, как показано на чертежах, может быть управляемым или автоматическим. Устройство 2 сообщается с атмосферой через управляемую клапанную систему 4, которая направляет газообразные продукты сгорания к выпускному каналу 12 в атмосферу через регенератор 5.
Устройство 1 и клапанная система 4 приводятся в действие временными механизмами 25 (см. фиг.12). Данные механизмы могут быть механически соединены с совершающими возвратно-поступательное движение компонентами посредством механизмов, к числу которых относятся рычаги, кулачковые диски сцеплений или зубчатая рейка и шестерня, или с поворотными компонентами посредством различных механизмов, включая замочные системы. Альтернативно, они могут приводиться в действие электрическим, гидравлическим или пневматическим приводом под управлением системы управления двигателем. Данная особенность может представлять преимущество для двигателей, которые должны работать в широком диапазоне нагрузок и скоростных режимов.
Согласно фиг.4 и 5, в процессе работы воздух всасывается в устройство 1 из атмосферы и запирается впускным клапаном 6. На чертежах направление движения поршней обозначено стрелками. Со ссылкой на фиг.1, клапанная система 4 затем обеспечивает сообщение устройства 1 с устройством 2 через регенератор 5, который пребывает в прогретом состоянии. Затем воздух перемещается через регенератор 5 и нагревается, в то время как регенератор 5 охлаждается. Данное перемещение протекает по существу при постоянном объеме, так как объем в устройстве 2 увеличивается на ту же величину, на которую объем устройства 1 уменьшается. Далее, клапанная система 4 переходит в закрытое положение, изолируя газ в пределах устройства 2. Топливо, которое может быть горючей жидкостью, газом или порошкообразным твердым горючим, вводится по меньшей мере из одной распылительной форсунки 10 в горячий газ, приводя в результате к воспламенению и дополнительному нагреву газа. Воспламенение может возникать в течение перемещения, что вызывает такое преимущество как протекание сгорания при постоянном объеме и такой недостаток как воздействие на устройство 1 давления при сгорании. Альтернативно сгорание может произойти после закрытия клапана, это означает, что устройство 1 не подвергнется давлению при сгорании, однако сгорание не будет протекать при постоянном объеме, пока не будет использован механизм, который периодически изменяет объем в устройстве 2. Затем устройство 2 расширяет газ, как показано на фиг.4, с объемным отношением в диапазоне от 2 до 20. Работа передается в течение данного расширения и может быть преобразована в механическую, электрическую, гидравлическую или пневматическую мощность на выходе любыми известными средствами. На чертеже под позицией 9 показан шатун, который может быть соединен с коленчатым валом. Следует отметить, что движение шарнирного пальца 8 и поршневых штоков ограничено направляющими качения, которые ради ясности чертежей не показаны. Как показано на фиг.5, в конце хода расширения клапанная система 4 обеспечивает сообщение устройства 2 с атмосферой через регенератор 5, который находится в своем холодном состоянии. Газообразный продукт сгорания вытесняется при постоянном давлении в атмосферу, отдавая свое тепло регенератору 5, который возвращается в свое прогретое состояние. На момент протекания в устройстве 2 процессов расширения и выпуска, устройство 1 уже впустило новую партию газа. Затем цикл повторяется.
Таким образом, регенерация существенно снизила потери цикла. Потери при охлаждении минимизируются благодаря возможности устройства 2 работать при очень высокой температуре. Чтобы поспособствовать такой работе, устройство 2 выполняют из термостойких материалов, выбранных из группы, включающей нержавеющую сталь, жаростойкие сплавы или техническую керамику. Согласно фиг.6, проблему смазки скользящих уплотнений решают путем размещения компонентов, направляемых направляющими качения, которые на чертежах не показаны и движутся с небольшим зазором, используя либо лабиринтное уплотнение, либо воздушный подшипник. На чертеже показана рифленая боковой поверхность 13 поршня, проходящая близко, но не соприкасающаяся со стенкой 14 цилиндра. В других вариантах реализации гребни могут быть выполнены на стенке 14 цилиндра, в то время как боковая поверхность 13 поршня может быть гладкой, или гребни могут быть выполнены и на боковой поверхности 13 поршня, и на стенке 14 цилиндра. Такой подход был бы невыполним в двигателе с предварительным сжатием из-за периода времени в цикле, в течение которого газ находится под давлением, и степени, до которой газ сжимается, что вызвало бы недопустимые потери давления. Данный способ имеет дополнительное преимущество, относящееся к устранению потерь на трение в устройстве для обеспечения сгорания и расширения. Благодаря минимизации и потерь цикла, и потерь при охлаждении, цикл обладает высокой производительностью. В дополнение низкое давление позволяет устройству 2 иметь тонкостенную легковесную конструкцию. Отсутствие хода сжатия обеспечивает двигателю легкий запуск и требует небольшой эффект маховика.
Как только двигатель достигнет своей рабочей температуры, горячий регенерированный газ и раскаленная оболочка после впрыска топлива вызовут самопроизвольное его воспламенение, без возникновения эффекта охлаждения около стенок. Данная особенность предоставит двигателю способность работать с широким диапазоном топлив. Однако для холодного запуска потребуется система зажигания. Такая система может быть выполнена с помощью любых известных средств, включая запальную свечу, свечу зажигания, электроподогреваемый регенератор, нагревающий весь цилиндр или его часть электрически, сгоранием или лазерной системой зажигания. Некоторые типы топлив, которые будут гореть хорошо в прогретом двигателе, могут не подойти для периода запуска работы, и, следовательно, в таком случае будет обеспечена вспомогательная топливная система запуска.
Первый вариант реализации настоящего изобретения допускает повышение КПД за счет повышенной сложности. Регенератор 5 не способен идеально улавливать все бросовое тепло. Это происходит в результате того, что поток воздуха от устройства 1 через регенератор 5 к устройству 2 протекает при постоянном объеме, в то время как поток отработавшего газа через регенератор 5 проходит при постоянном давлении. Теплоемкость воздуха при постоянном объеме составляет лишь 70% теплоемкости воздуха при постоянном давлении, таким образом, регенератор 5 не будет охлаждаться полностью до температуры окружающей среды газами, вытесненными из устройства 1, и, следовательно, в идеале сможет принимать только 70% бросового тепла.
Согласно второму предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения раскрыт двигатель внутреннего сгорания без сжатия с регенерацией тепла и дополнительным атмосферным ходом.
Согласно фиг.6, двигатель содержит по меньшей мере один блок из трех механизмов с изменяемым объемом, один из которых меньшего рабочего объема, чем другие два, которые имеют по существу равный размер. Механизмом с изменяемым объемом меньшего размера является 30 устройство 1. Первым механизмом с большим изменяемым объемом является устройство 2, а вторым механизмом с большим изменяемым объемом является атмосферный охладитель 3. Эти три механизма с изменяемым объемом управляемо сообщаются друг с другом через клапанную систему 4, которая включает в себя регенератор 5 и которая имеет минимальный внутренний объем. Устройство 1 сообщается с атмосферой через впускной клапан 6, который может быть управляемым или автоматическим. Атмосферный охладитель 3 сообщается с атмосферой через выпускной клапан 7, который может быть управляемым или автоматическим.
Согласно фиг.9 и 10, в процессе работы воздух втягивается в устройство 1 из атмосферы и запирается впускным клапаном 6. Как показано на фиг.7, клапанная система 4 затем обеспечивает сообщение устройства 1 с устройством 2 через регенератор 5, который находится в прогретом состоянии. Далее воздух перемещается через регенератор 5 и нагревается, в то время как регенератор 5 охлаждается. Данное перемещение происходит по существу при постоянном объеме, так как объем устройства 2 увеличивается на величину уменьшения объема устройства 1. Обращаясь к фиг.8, клапанная система 4 прекращает ограничение газа в пределах устройства 2. Топливо, которое может быть жидкостью, газом или порошкообразным твердым топливом, впрыскивается по меньшей мере через одну распылительную форсунку 10 в горячий газ, дополнительно подогревая его. Это происходит любо в течение перемещения, что вызывает преимущество в сгорании при постоянном объеме, но и вызывает недостаток влияния давления при сгорании на устройство 1. В другом случае, сгорание может происходить после закрытия клапана, означая, что устройство 1 не подвергается давлению при сгорании, однако сгорание не будет протекать при постоянном объеме. На фиг.9 устройство 2 затем расширяет газ с изменением объемного отношения от 2 до 20. В течение данного расширения работа передается на шатун 9. Согласно фиг.10, в конце хода расширения клапанная система 4 обеспечивает сообщение устройства 2 с атмосферным охладителем 3 через регенератор 5, который находится в своем холодном состоянии. Газообразный продукт сгорания перемещается, на этот раз при постоянном объеме, в атмосферный охладитель 3, отдавая свое тепло регенератору 5. В этот момент исходный объем газа вновь имеет по существу температуру окружающей среды, однако находится в намного большем объеме, в результате чего давление сейчас будет представлять частичное разряжение. Как показано на фиг.8 и 9, клапанная система 4 после этого закрывается, и по мере сжимания объема атмосферного охладителя 3 протекает атмосферный ход, задаваемый давлением атмосферы, с передачей дополнительной работы, пока внутреннее и внешнее давления не уравняются. Для достижения максимального КПД дополнительно возможно использование водораспылительного сопла 11 для охлаждения сужения и приведения его в почти изотермическое состояние. Это может увеличить КПД двигателя примерно на 7%. Как только давление уравнялось с атмосферой, выпускной клапан 7 открывается и выпускает газ и воду. Вода может быть отделена от газа, охлаждена в теплообменнике и подвергнута рециркуляции.
Такая особенность имеет преимущество в том, что цикл принимает тепло при адиабатической температуре сгорания топлива и отводит тепло почти при окружающей температуре, регенерировав по существу все бросовое тепло. На фиг.11 показаны диаграммы зависимости давления от объема и температуры от энтропии, которые характеризуют цикл усовершенствованного варианта настоящего изобретения. Для специалистов в данной области техники очевидно, что они совершенно отличны от известных циклов, таких как цикл Отто, цикл Дизеля и цикл Джоуля-Брайтона или цикл Стирлинга или Эрикссона. На указанных диаграммах участок графика от точки А до В показывает нагрев при постоянном объеме, при этом от А до R происходит регенеративный нагрев, тогда как от R до В происходит нагрев от сгорания. Участок графика от В до С показывает адиабатное расширение. Участок графика от С до D показывает отвод тепла регенератору 5. Участок графика от D до А показывает изотермическое сужение обратно к атмосферному давлению. Диаграмма температурной энтропии показывает, что температурный диапазон тепла, отведенного на фазе от С до D, полностью охвачен фазой нагрева от А до В. Таким образом, можно обеспечить тепло на участке от А до R посредством регенерации тепла, отведенного на участке от С до D, и тогда тепло от сгорания топлива потребуется лишь на участке от R до В. Этим циклом не достигают КПД, равное пределу Карно, так как процесс сгорания при постоянном объеме не обратим. Однако повышение промежуточной температуры, которое может превысить пределы, которые могли бы постоянно выдерживать материалы, подразумевает, что предел Карно выше, а следовательно, общая производительность больше.
Потери при охлаждении сводятся к минимуму теми же средствами, которые описаны в первом варианте реализации настоящего изобретения, потому что устройство 2 выполнено с возможностью работы при очень высокой температуре. Возможны многие расположения компонентов в пределах сущности настоящего изобретения. Показанное расположение имеет преимущество, заключающееся в отделении горячей и холодной камер с тем, чтобы минимизировать теплопередачу между ними. Для минимизации потерь тепла из устройства 2 предпочтительно должны предприниматься другие меры, включая меры по теплоизоляции в пределах клапанной системы 4 и регенераторе 5 и экраны для отражения и сдерживания исходящей теплоты.
Альтернативный вариант реализации показан на фиг.12. В указанном варианте устройство 1, устройство 2 и атмосферный охладитель 3 все приводятся в действие с одной стороны. Устройство для обеспечения сгорания и расширения и атмосферный охладитель соединены с обычным коленчатым валом 24 таким образом, что они приводятся в движение с разностью фаз 180 градусов по отношению друг к другу. Устройство 1 имеет ход намного короче, и прерывистое движение регулируется дисковым кулачком 22, находящимся в зацеплении с работающим по кулачку роликом 23. Потоком газа между цилиндрами управляет ряд клапанов 4, которые работают в режиме перемещения таким образом, что они устраняют мертвый объем при их закрытии. Указанными клапанами управляет распределительный вал 21, который приводится в движение ремнем привода газораспределительного механизма или цепью 25 от звездочки 26, закрепленной на коленчатому валу. В этом варианте реализации впускной клапан 6 и выпускной клапан 7 также приводятся в действие кулачком.
Дополнительное преимущество состоит в том, что выпуск отработавших газов оставляет двигатель, по сути, при атмосферном давлении и температуре и, следовательно, будет по существу тихим, не требуя применения большого глушителя. В случае использования дополнительной возможности водораспыления, в дополнение повышению КПД двигателя, из выброса будут удаляться растворимые газы, включая воду и окиси азота или серы, которые присутствуют в некоторых топливах. Образованием окисей азота можно также управлять путем регулируемого смешивания доли выхлопного газа с воздухом на впуске, чтобы гарантированно обеспечить небольшое количество или полное отсутствие избыточного кислорода в процессе сгорания.
Большинство принципов, формирующих основу настоящего изобретения, раскрытого здесь, были известны в уровне технике на протяжении более столетия. Однако раскрытые комбинация и порядок работы являются новыми и направлены на эффективное решение двух главных видов потерь преобразования энергии двигателей современной технологии и предлагают целый ряд дополнительных преимуществ. Таким образом, настоящее изобретение предлагает существенные и до настоящего времени неосуществленные преимущества.
Различные модификации представленных вариантов реализации могут быть выполнены без отклонения от объема настоящего изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения, которая интерпретируется в соответствии с патентным законодательством.