СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF ENGINE OPERATION

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании новых типов двигателей с пониженным выбросом вредных веществ, образующихся при сжигании органического топлива.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (журнал «Изобретатель и рационализатор №4, 1999, статья Ю. Медведева «Двигатель внутреннего охлаждения», с. 28-29), основанный на сжигании топлива. Однако такой двигатель использует сжигание топлива при движении подвижного элемента в обоих направлениях. Это приводит к сжиганию большого количества топлива и выбросу большого количества вредных веществ.
Известен также способ работы двигателя внутреннего сгорания (Тракторы, автомобили, двигатели, М., «Высшая школа», 1964, с. 28-35) путем попеременного сжигания топлива с разных сторон подвижного элемента. Этот способ работы также приводит к сжиганию большого количества топлива и выбросу большого количества вредных веществ.
В качестве прототипа выбран способ работы двигателя (SU 1254185 A1, 30.08.1986), основанный на попеременном сжигании топлива в камере сгорания путем подогрева воздуха и впрыскивании в него жидкости. Однако и в нем впрыскивается только органическое топливо, что не позволяет сократить выбросы вредных веществ.
Указанная цель достигается тем, что способ работы двигателя основан на сжигании топлива путем подогрева воздуха и впрыскивании в него жидкости. Особенностью нового способа работы двигателя является то, что попеременно с режимом сгорания в камере движение подвижного элемента (поршня, диафрагмы) в противоположную сторону осуществляется за счет введения в камеру сухого подогретого воздуха с одновременной подачей и диспергированием криогенной жидкости, например жидкого азота.
На фиг. 1 схематично изображен двигатель, работающий с применением данного способа. Он содержит камеру сгорания (охлаждения) 1 с форсунками 2, соединенными с баком органического топлива 3, подвижный элемент 4 и клапанный узел 5. Позицией 6 условно показан шток или любой преобразователь механического движения от подвижного элемента 4. Шток 6, в частности, может быть соединен с пневмонакопителями разных конструкций. Штрихпунктирной линией показан подвижный элемент 4 перед впрыском криогенной жидкости.
Особенность предлагаемого двигателя заключается в том, что камера сгорания (охлаждения) 1 дополнительно снабжена форсунками 7, соединенными с баком криогенной жидкости (жидкого воздуха) 8.
На фиг. 2 схематично изображен двигатель, в котором камера сгорания соединена трубопроводом 9 как с баком 3 для органического топлива, так и трубопроводом 10 с баком 8 с криогенной жидкостью.
В таком исполнении подвижный элемент 4 перемещается в одну сторону под действием повышенного давления от сгорания органического топлива, а в другую сторону от пониженного давление (вакуума) от испарившейся криогенной жидкости.
Сжигание органического топлива обеспечивает прогрев стенок камеры сгорания и создает условия для последующего взрывного испарения криогенной жидкости и создания вакуума в той же камере сгорания 1.
<mrow><msqrt><mrow><mi>x</mi><mi>t</mi></mrow></msqrt></mrow>
При одноразовом сгорании органического топлива стенки камеры сгорания успевают прогреться на величину
, где x - коэффициент температуропроводности стенки камеры, а t - время сгорания органического топлива.
<mrow><msqrt><mrow><mi>x</mi><mi>t</mi></mrow></msqrt></mrow>
При испарении криогенной жидкости стенки камеры сгорания охлаждаются на сравнимую величину
, где x - коэффициент температуропроводности стенки камеры, а t -время испарения криогенной жидкости.
Подвижный элемент 4 (поршень, мембрана) в предлагаемом способе перемещается под действием двух попеременно согласованных между собой действий - в один период на подвижный элемент 4 действует повышенное давление от сгорания органического топлива, а в другой период - пониженное давление (вакуум) от испарившейся криогенной жидкости.
<mrow><msqrt><mrow><mi>x</mi><mi>t</mi></mrow></msqrt></mrow>
Стенки корпуса камеры сгорания (охлаждения) при этом подвергаются большим циклическим температурным колебаниям. Во избежание возникновения больших термических колебаний стенки корпуса камеры сгорания желательно покрывать тонким нанослоем, сравнимым по своей величине с
. Коэффициент полезной работы двигателей, как правило, повышают за счет повышения температуры сгорания. Для этого применяют высокотемпературную керамику. Но аналогичного эффекта можно достигнуть, согласно циклу Карно, и за счет существенного снижения температуры отвода тепла от двигателя.
В качестве криогенной жидкости можно использовать жидкий азот (температура кипения 195,75°С или 77,4 K) или жидкий воздух (температура кипения 182,96°С или 90,188 K). В случае аварии автомобиля и возгорания органического топлива испаряющийся азот автоматически выдавливает кислород и гасит возможный пожар. Жидкий азот стоит втрое дешевле бензина и может быть изготовлен с помощью турбодетандеров в условиях небольшой мастерской. Попеременный разогрев и охлаждение камеры сгорания позволяет поддерживать невысокие средние температуры, что позволяет применять общепринятые в двигателестроении материалы.
Предложенный способ работы двигателя позволяет практически в два раза сократить использование органического топлива, а следовательно, в такое же число раз сократить выбросы вредных веществ. Учитывая тот факт, что стоимость получения жидкого воздуха или азота при использовании турбодетандеров может быть ниже стоимости органического топлива, то предложенный способ может быть более экономичным, чем обычные двигатели внутреннего сгорания.