УСТРОЙСТВО АДИАБАТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ADIABATIC ENGINE

Область техники
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.
Уровень техники
В качестве энергетических установок в современном мире широкое распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания. Особенностью двигателей этого типа является то, что процесс сгорания топливовоздушной смеси и преобразование тепловой энергии в механическую происходят непосредственно в цилиндре двигателя.
Условия работы теплового двигателя впервые были сформулированы французским ученым С.Карно. Эти условия заключаются в том, что для превращения теплоты в механическую работу необходимо иметь, по крайней мере, два источника теплоты с разными температурами (теплоотдатчик и теплоприемник), взаимодействующие с рабочим телом в круговом процессе (цикле).
1
2
1
2
Простейшим циклом, соответствующим этим условиям, является цикл, осуществляемый между двумя источниками теплоты, имеющими различные постоянные температуры Т и Т. Тело с более высокой температурой Т называют горячим источником теплоты или теплоотдатчиком, а тело с более низкой температурой Т - холодным источником или теплоприемником.
Из второго начала термодинамики вытекает важное заключение, касающееся основного экономического показателя тепловых двигателей - коэффициента полезного действия (КПД). Известно также, что КПД теплового двигателя зависит от эффективности использования тепла от сгорания топлива. Тепловой баланс показывает, что в ДВС используется полезно только 35% тепла на полезную работу, т.е. от параметров рабочего тела (его давления и температуры), а остальное тепло расходуется на охлаждение и выброс с отработанными газами. Поэтому в разрабатываемых двигателях уменьшение этих потерь также повышает эффективный КПД.
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
min
max
Термический КПД тем выше, чем шире интервал значений температур цикла, т.е. чем больше числовое значение отношения
. Однако очень важно, за счет какой именно температуры цикла (минимальной или максимальной) происходит это расширение. В результате анализа видим, что при одинаковых по модулю приращениях максимальной и минимальной температур изменение T отражается на КПД цикла Карно сильнее, чем изменение Т.
min
max
min
max
max
min
В качестве примера рассмотрим тепловой двигатель, который работает по циклу Карно в интервале значений температуры от T=300 К до T=2400 К. В этом случае термический КПД=0,875. При снижении только температуры T на 20 К КПД увеличивается на 0,00833, а при повышении температуры T также на 20 К КПД увеличивается на 0,00103. Таким образом, в случае изменения температуры Тприращение КПД в 8 раз меньше, чем при изменении температуры T.
2
В современных ДВС температура газа в цилиндре в конце расширения Т очень высокая (…К), что и ограничивает рост КПД.
min
Итак, понижение нижней температуры T является действительно эффективным способом повышения КПД цикла.
Камера сгорания
Камера сгорания - замкнутое пространство для сжигания топлива. Они бывают периодического действия (в поршневых ДВС) и непрерывного действия (в газотурбинных и реактивных двигателях).
Большое разнообразие камер сгорания объясняется стремлением достигнуть высокой экономичности и мягкого сгорания (для улучшения износа).
Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.
Высокотемпературный цикл, реализуемый в ДВС, приводит к необходимости оснащения системой охлаждения практически всех без исключения поршневых двигателей.
Количество теплоты, переданное системе охлаждения, представляет собой основную часть потерь, определяющих индикаторный КПД двигателя. В быстроходных двигателях в систему охлаждения отводится 25…35% вводимой в цилиндр с топливом теплоты.
Сгорание должно происходить в строго определенной фазе цикла - слишком раннее или позднее сгорание приводит к уменьшению давления в цилиндре и, в конечном счете, к ухудшению основных параметров двигателя.
Идея сжигания топлива непосредственно в цилиндре имеет существенные недостатки еще и потому, что сгорание подчинено режиму движения поршня, задаваемому нагрузкой на двигатель.
Поэтому, как правило, в ДВС горение топлива, особенно в режимах малой нагрузки, происходит в неблагоприятных условиях. Для того чтобы сделать горение устойчивым, приходится использовать так называемую обогащенную горючую смесь, т.е. смесь топлива с воздухом, в которой топлива заведомо больше, чем может теоретически сгореть в этом воздухе. Ясно, что в связи с этим выхлопные газы таких двигателей содержат несгоревшее топливо или точнее некоторые промежуточные соединения - продукты так называемого неполного горения.
В целях достижения высокой экономичности двигателя необходима камера сгорания, обеспечивающая нежесткую динамическую газовую нагрузку на поршень и кривошипный механизм, т.е. равномерная скорость нарастания давления газа на поршень после воспламенения топлива в камере сгорания двигателя.
Процесс расширения
В процессе расширения (рабочий ход) производится механическая работа за счет тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива.
Под значительным давлением расширяющихся газов поршень движется от В.М.Т. к Н.М.Т. и через шатун проворачивает коленчатый вал. По мере перемещения поршня давление газов в цилиндре падает, а температура понижается.
В процессе расширения давление в цилиндре карбюраторного двигателя при сгорании составляет в среднем 3,5 МПа, а в конце расширения - 0,4 МПа, т.е. падает в 8,75 раза. Температура сгорания в этом двигателе составляет в среднем 2550 К, а при расширении составляет 1350 К, т.е. падает в 1,9 раза. В процессе расширения давление в цилиндре дизеля при сгорании составляет в среднем 6,3 МПа, а в конце расширения - 0,3 МПа, т.е. падает в 21 раз. Температура сгорания в дизеле составляет в среднем 2000 К, а в конце расширения - 1100 К, т.е. падает в 1,8 раза.
При этом температура выпуска отработанных газов у дизеля и карбюраторного двигателя практически одинакова и составляет среднюю величину в 900 К.
max
min
2
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2600</mn><mi>К</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1300</mn><mo>…</mo><mn>500</mn><mi>К</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>Т</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>Т</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2600</mn><mo>−</mo><mn>500</mn></mrow><mrow><mn>2600</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>8</mn></mrow>
Итак, в ДВС в процессе расширения температура сгорания топлива в цилиндре реально уменьшается только в два раза и составляет высокую температуру выпуска отработанных газов. Поэтому цилиндр в принципе не обеспечивает необходимую степень расширения газа и рост КПД в нем недостижим. Чтобы приблизиться к минимально возможной температуре окружающей среды в 300 К, надо еще и температуру выпуска понизить не меньше чем в 2 раза. В пределе для роста КПД необходимо изменение (падение) температуры от Т до T от 2-х до 5 раз, т.е.
, т.е. понижение Т до 500 К. В этом случае
.
Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто, в котором подвод тепла осуществляется при постоянном объеме в камере сгорания.
В этом цикле подвод тепла осуществляет в районе ВМТ, что имеет неприятные следствия. В реальном двигателе воспламенение топлива происходит даже не в ВМТ, а еще до ее достижения, т.е. на противоходе. Это уменьшает полезную работу.
Кроме этого, в ВМТ поршень короткое время неподвижен и тепловая энергия не превращается в механическую работу, а значительная ее часть идет на нагрев камеры сгорания, головки блока, поршня и стенок цилиндра, которые необходимо охлаждать.
Вращательный момент от сгорания топлива возникает на кривошипе с углом поворота в 140°. Однако первые 10° угла поворота коленчатого вала от ВМТ дают небольшой ход поршня (до 10 мм), т.е. шатун и шейка коленчатого вала расположены практически на прямой линии и вращательный момент отсутствует.
Только начиная с угла поворота коленчатого вала в 10-30° (ход поршня до 40 мм), возникает на кривошипе вращательный момент, а затем уменьшается из-за увеличения объема расширения и уменьшения давления в цилиндре.
Одним из недостатков двигателя с воспламенением от сжатия (дизель) является высокая жесткость сгорания топлива, которая определяется высокой скоростью нарастания давления газов в цилиндре после воспламенения топлива в камере сгорания. Жесткость сгорания характеризует степень ударности газовой нагрузки на поршень, шатун и коленчатый вал и поэтому ускоряет износ двигателя, т.к. скорость нарастания давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на один градус может составлять с умеренными степенями сжатия от 0,1 до 0,12 МПа/°.
Можно сделать вывод, что организация сгорания топлива в цилиндре с поршнем приводит к нерациональным потерям тепла и снижает вращающий момент из-за кривошипно-шатунного механизма.
Среднее индикаторное давление
i
i
В ДВС выделяют величину p, которую называют средним индикаторным давлением цикла. Она представляет собой такое условное постоянно действующее избыточное давление, при котором работа газов, произведенная за один ход поршня, равна индикаторной работе за цикл. То есть среднее индикаторное давление равно полезной работе цикла, отнесенной к единице рабочего объема цилиндра. Поэтому давление р характеризует совершенство цикла и самого двигателя.
При сгорании топлива давление газа высокое и составляет в бензиновых двигателях 3-4,5 МПа, а в дизельных 5-12 МПа. Однако это давление не сохраняется, а в ходе расширения в цилиндре оно резко падает в 8-20 раз. Поэтому среднее индикаторное давление меньше максимального и при расчетах его учитывают как условно постоянно действующее в цилиндре.
При работе на полной нагрузке величина среднего индикаторного давления достигает:
для бензиновых двигателей 0,6-1,4 МПа и дизелей 0,7-1,1 МПа.
max
min
max
Наибольший возможный объем рабочего тела V достигается при продолженном расширении рабочего тела до минимального давления р (1 атм). Вследствие этого возрастают и термический КПД, и работа цикла. Однако с увеличением объема V соответственно уменьшается среднее давление цикла. Снижение среднего давления цикла при условии получения заданной мощности приводит к необходимости увеличения размеров цилиндра. Поэтому в поршневых двигателях внутреннего сгоранияосуществляется цикл, в котором расширение рабочего тела заканчивается при давлении значительно более высоком, чем давление минимально возможное.
Отметим, что эффективная мощность двигателя прямо пропорциальна среднему эффективному давлению. Следовательно, эффективную мощность двигателя можно изменить увеличением или уменьшением среднего индикаторного давления.
Работа и теплота
При увеличении объема, т.е. при расширении, тело перемещает окружающие его тела, т.е. совершает над ними работу. Например, газ, находящийся в цилиндрическом сосуде, закрытом перемещающимся поршнем, при расширении совершает работу.
Δ
Δ
Δ
Δ
Δ
A=pV, где р - давление газа, V=S х - изменение объема газа, вызванное перемещением поршня на расстояние х; S - площадь поршня.
1
2
При постоянном давлении при расширении газа от объема V до объема V газ совершает работу
2
1
A=p(V-V)
1
2
<mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><mi>T</mi><mi>ln</mi><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Работа, совершаемая 1 молем газа при изотермическом расширении от объема V до объема V, равна
, где R - газовая постоянная.
γ
При адиабатическом расширении тепла давление убывает обратно пропорционально V, т.е. более быстро, поскольку γ>1.
Адиабатный двигатель
В настоящее время актуальным остается проблема создания двигателей с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела, предельным случаем которых является так называемый адиабатный двигатель.
Адиабатным двигателем считается тот, у которого предельно мала теплоотдача в стенки и за счет этого достаточно большой КПД.
Реализация идеи адиабатного двигателя с применением монолитной керамики для изоляции стенок цилиндров и деталей, ограничивающих камеру сгорания, оказалась ошибочной в связи с ростом температуры газов и количества оксидов азота в отработавших газах.
В результате анализа выяснилось, что причина неудач этой схемы двигателя заключается в том, что сгорание топлива происходило в цилиндре с поршнем, с внутренней теплоизоляцией стенок цилиндра и деталей, ограничивающих камеру сгорания. В этом “тепловом мешке” температура газов возросла, но одновременно возросла и теплоотдача в систему охлаждения, а при ограниченном расширении газа в цилиндре (с повышенной температурой) из-за кривошипно-шатунного механизма расширение оказалось недостаточным, поэтому сохранилась высокая температура отработавших газов. В итоге расход топлива не уменьшился и КПД двигателя не увеличился.
Основные недостатки поршневого двигателя
Термодинамический цикл ДВС, организованный в одном цилиндре с поршнем, происходит в неоптимальных условиях по следующим причинам:
1. Режим горения топлива оказывается подчиненным режиму движения поршня, задаваемому нагрузкой на двигатель (горение в неблагоприятных условиях).
2. Сгорание топлива в надпоршневом пространстве приводит к потере тепла в систему охлаждения 25-35% и отработанными газами 30-40%.
3. Малое падение температуры сгоревшего топлива (до 2-х раз) из-за недостаточного объема расширения снижает КПД.
4. Выпуск рабочего газа с высоким давлением уменьшает среднее эффективное давление (мощность двигателя).
5. Такты цикла осуществляются в цилиндре с большими перепадами температур, что приводит к значительным тепловым потерям.
6. Жесткость сгорания топлива, особенно в дизеле (высокая скорость нарастания давления).
2
Известен комбинированный двигатель А.Н.Шелеста, в котором топливо сгорает и образующиеся газы поршнем нагнетаются в резервуар, т.е. двигатель выполняет роль генератора сжатых газов. Давление генерируемых газов в ресивере составляло 4 кг/см при температуре 500°С. При сгорании 1 кг жидкого топлива образовывалось 72,5 кг генерированного газа.
Наиболее близким по технической сущности изобретением (прототипом) к предлагаемому является «Термодинамический цикл для двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления». Автор изобретения М.П.Фролов №2167315, кл. F02B 11/00, 75/04 1999 г.
В этом изобретении предложен термодинамический цикл с раздельными тактами по цилиндрам. В одном цилиндре происходят два такта - всасывание и сжатие чистого воздуха, а в другом цилиндре - сгорание топлива, рабочий ход и выхлоп. Оптимальное разделение термодинамического цикла по двум цилиндрам (двух спаренных тактов) позволяет совершенствовать рабочий процесс теплового двигателя.
Однако в данном термодинамическом цикле имеется существенный недостаток - это организация сгорания топлива в цилиндре. Уже отмечалось, что сгорание топлива в цилиндре приводит к большим тепловым потерям в систему охлаждения и выхлоп, а также неполному расширению газа. В целях совершенствования термодинамического цикла, организованного в двух раздельных цилиндрах, предлагается устройство адиабатного двигателя, в котором сгорание топлива вынесено из цилиндра в отдельное устройство.
Одним из основных направлений по совершенствованию ДВС является повышение эффективности процесса сгорания топлива, а также снижение уровня вредных выбросов за счет улучшения процесса сгорания.
Сущность изобретения
Основная часть по совершенствованию термодинамического цикла (М.П.Фролова), разделенного по двум цилиндрам, заключается в том, что предлагается сгорание топлива из цилиндра вынести в отдельное устройство - теплоизолированную камеру сгорания с ресивером газа.
Задачей изобретения является повышение КПД двигателя, полнота сгорания топлива, исключение передачи тепла в систему охлаждения и уменьшение температуры выхлопа, увеличенное расширение газа, а также оптимизация процессов отдельных тактов.
Цель: создание двигателя с уменьшенным отводом тепла от рабочего тела, предельным случаем которого является так называемый адиабатный двигатель. Создание экономичного и малотоксичного рабочего процесса в таком двигателе возможно за счет комплекса мероприятий, которые позволяют понизить температуру рабочего тела в двух отдельных объемах расширения. Первый объем - теплоизолированная камера сгорания, в которую подается из ресивера сжатый воздух из компрессора.
После подачи топлива в камеру сгорания оно сгорает, рабочее тело расширяется и первично охлаждается в объеме ресивера газа также теплоизолированного. Второй объем расширения газа осуществляется в рабочем цилиндре с поршнем, где происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Здесь поршень перемещается под постоянным давлением. Рабочее тело повторно охлаждается в процессе расширения в цилиндре и выбрасывается в атмосферу.
Для повышения роста КПД предлагается в целом понизить температуру сгорания до четырех-пяти раз. Это возможно осуществить, если в термодинамическом цикле применить двойное расширение газа. В начале, рабочий газ после сгорания расширить в теплоизолирующем сосуде - ресивере, где температура уменьшается в 2-3 раза. Затем рабочий газ расширить в рабочем цилиндре до 2-х раз.
Описание чертежей
Предлагаемое устройство адиабатного двигателя поясняется чертежом: Фиг.1 - схематично представляет изобретение под названием «Устройство адиабатного двигателя; где 1 - компрессор воздуха, 2 - впускной клапан компрессора, 3 - нагнетательный клапан, 4 - ресивер воздуха, 5 - регулируемый клапан подачи воздуха, 6 - окно подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, 7 - форсунка топлива, 8 - свеча зажигания, 9 - камера сгорания (сферическая), 10 - ребра охлаждения камеры сгорания, 11 - камера сжатого воздуха вокруг камеры сгорания, 12 - эжектор, 13 - отверстие (щели) эжектора, 14 - раструб камеры сгорания и эжектора, 15 - теплоизолированный корпус, 16 - внутренняя часть ресивера газов (продуктов сгорания), 17 - предохранительный клапан, 18 - канал впуска газа в рабочий двигатель, 19 - клапан впуска газа, 20 - клапан выпуска отработанных газов, 21 - рабочий двигатель, 22 - ресивер газа, 23 - цилиндрическая часть камеры сгорания, 24 - кинематическая связь компрессора с рабочим двигателем.
Осуществление изобретения
Предлагается адиабатный двигатель, который выполнен по схеме термодинамического цикла с разделением 4-х тактов по двум цилиндрам и сгоранием топлива в теплоизолированной камере сгорания и ресивере газа. В первом цилиндре (компрессоре) воздух сжимается поршнем и подается из ресивера в камеру сгорания. После подачи топлива в камеру сгорания оно сгорает, и газ первично расширяется в объеме ресивера газа. Затем открывается выпускной клапан в рабочий двигатель с поршнем, и газ выполняет механическую работу.
Общее устройство адиабатического двигателя изображено на фиг.1, который состоит из следующих частей: компрессора воздуха - 1, теплоизолированной камеры сгорания - 9 с ресивером газа - 22, рабочего двигателя - 21. Компрессор воздуха - 1 имеет выпускной клапан - 2 и нагнетательный клапан - 3, а также ресивер воздуха - 4, из которого сжатый воздух подается в сферическую часть камеры сгорания через регулируемый клапан - 5. Камера сгорания - 9 и ресивер газа - 22 находятся в теплоизолированном корпусе - 15, в котором размещается полость ресивера продуктов сгорания - 16, оснащенного предохранительным клапаном - 17.
В целом камера сгорания - 9 снаружи имеет ребра охлаждения - 10, которые направлены вдоль оси камеры сгорания. Вокруг камеры сгорания образовано пространство - камера сжатого воздуха - 11. В конце цилиндрической части камеры сгорания - 23 расположено эжекторное устройство - 12 с отверстиями - 13 (щелями), через которые отсасывается сжатый воздух, находящийся вокруг камеры сгорания в замкнутом объеме, и выбрасывается через раструб - 14 в ресивер газа - 22 во время сгорания топлива.
В камеру сгорания - 9 через окно - 6 подается сжатый воздух из ресивера воздуха - 4, а топливо - через форсунку - 7. В камере сгорания топливо поджигается свечой - 8.
Рабочий двигатель - 21 имеет цилиндр с поршнем, клапан выпуска - 19 с рабочего тела (газа) с внутренней полости ресивера газа - 16 через канал выпуска газа - 18, а выпуск отработанного газа происходит через клапан - 20.
Привод компрессора - 1 осуществляется от рабочего двигателя - 21 через кинематическую связь - 24.
Адиабатный двигатель работает следующим образом.
В поршневом компрессоре - 1 воздух сжимается и подается в ресивер воздуха - 4. Затем через управляемый нагнетательный клапан - 5 сжатый воздух из ресивера воздуха - 4 в необходимом объеме подается в сферическую часть камеры сгорания - 9. Сжатый воздух входит в камеру сгорания под углом к ее оси через окно - 6, а также в камеру сжатого воздуха - 11, объем которой расположен вокруг камеры сгорания - 9. Сжатый воздух заполняет также внутреннюю часть ресивера газов - 16. В итоге, все пространство в камере сгорания, вокруг нее и в ресивере газа заполняется в начале цикла сжатым воздухом с одинаковым давлением. Гипотетически представим его в виде давления воздушной среды в пределах 0,5-1,0 МПа. После создания этих условий в сферическую часть камеры сгорания - 9 впрыскивается топливо через форсунку - 7 и поджигается свечей - 8. Топливо сгорает, повышается температура и давление. Однако, в связи с тем, что внутри камеры сгорания и в ресивере газов было одинаковое давление, в момент сгорания топлива камера сгорания со стороны раструба камеры сгорания и эжектора - 14 «закрыта пробкой» сжатого газа с гипотетическим давлением 0,5-1,0 МПа. В связи с этим, хотя камера сгорания и не имеет механического клапана, сгорание в основном происходит в закрытом объеме сферической - 9 и цилиндрической частях камеры сгорания - 23. После резкого увеличения давления и температуры при сгорании топлива газы преодолевают давление сжатого воздуха на стороне раструба - 14 и выбрасываются в полость ресивера газа - 16. В момент истечения рабочего тела из цилиндрической части камеры сгорания - 23 отсасывается нагретый сжатый воздух вокруг камеры сгорания - 11, за счет эжектора - 12 через окна (щели) - 13. Этот воздух участвует в догорании топлива и перетекает во внутреннюю часть ресивера газа - 16.
Давление генерируемого газа в ресивере газа - 22 поддерживается в заданных пределах (гипотетически в пределах 10-15 МПа), которое затем подается в рабочий двигатель - 21 через канал выпуска - 18 и клапан впуска - 19.
В рабочем двигателе газ давит на поршень с относительно постоянным давлением, т.е. совершает механическую работу. При расширении газа его температура вторично понижается до минимально возможной и отработанный газ выталкивается поршнем в атмосферу через клапан выпуска - 20.
В целях поддержания расчетного давления в ресивере газа - 22 и избегания взрыва он оснащен предохранительным клапаном - 17.
При снижении расчетного давления в ресивере газа - 22 в камере сгорания и других объемах подается сжатый воздух из ресивера воздуха - 4.
В этом случае сжатый воздух продувает камеру сгорания, освобождает ее от отработанных газов и одновременно охлаждает. При этом процессе происходит в целом выравнивание давления в камере сгорания - 9, в камере сжатого воздуха - 11, в ресивере газов - 22. После этого подается воздух и топливо в необходимых количествах, происходит сгорание топлива и процессы повторяются.
Преимущества адиабатного двигателя
В предлагаемом двигателе компрессор 1 нагнетает воздух в ресивер воздуха 4, который позволяет регулировать подачу воздуха и топлива в камеру сгорания, что оптимизирует смесеобразование и сгорание топлива. Улучшает процесс смесеобразования и подача воздуха под углом к оси камеры сгорания, т.к образуется вихрь, способствующий перемешиванию топлива с воздухом.
Камера сгорания играет также роль теплового аккумулятора. Ее стенки воспринимают тепло в процессе сгорания топлива и отдают его путем теплопередачи от наружных оребренных стенок (площадь больше) к охлаждающей воздушной среде - воздуху камеры 11.
Кроме этого, избыточный запас воздуха, окружающий камеру сгорания, участвует в догорании топлива, что увеличивает массу рабочего тела и ускоряет процесс понижения температуры и давления рабочего тела.
В принципе тепловые машины, использующие в качестве рабочего тела воздух, могут работать без охлаждающего тела, выпуская отработавшие газы в атмосферу. Это возможно. Если расширение рабочего тела осуществить до больших объемов в сосуде, заключенном в теплонепроницаемую оболочку, т.е расширение, протекающее без теплообмена с окружающей средой, то температура газа понизится. Это первая стадия расширения газ до двигателя, т.е в ресивере газа 16.
Вторая стадия расширения рабочего тела происходит в рабочем двигателе 21 до тех пор, пока его температура не станет равной минимально возможной (расчетной). Этот прием двойного расширения газа в условиях теплоизоляции в несколько раз понижает температуру сгораемого топлива, что значительно повышает КПД двигателя. Кроме того, при этом упрощается конструкция двигателя, так как устраняются радиатор, вентилятор, водяной насос, система трубопроводов и охлаждающих каналов.
В технике для предотвращения нежелательного переноса энергии с теплотой применяют теплоизоляцию. Для этого применяют материалы, плохо проводящие тепло, а также создают препятствие для тепловой конвекции и теплового излучения. В предлагаемом термодинамическом цикле в качестве теплоизолятора принимается газ - атмосферный воздух, который окружает камеру сгорания 9. Кроме этого, чтобы снизить температуру рабочего тела без отвода теплоты из системы, камера сгорания и ресивер газа заключены в теплонепроницаемую оболочку (из современных композитов), где рабочему телу представлена возможность расширяться в значительном объеме.
В реальных двигателях мощность двигателя пропорциональна пропущенной через него массе воздуха, которая в свою очередь пропорциональна плотности воздуха. Поэтому для увеличения мощности двигателя выгоднее увеличивать массу нагреваемого воздуха и понижать разность температур, т.е при одинаковом подводе теплоты можно получать разное количество рабочего тела.
Источники информации
1. Фролов М.П. Патент Российской Федерации № F02B 11/00, 75/04 1999 г.
2. Теория поршневых двигателей. Кавтарадзе Р.С. Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007 г.
3. Теплотехника. Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007 г.