СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ "УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ АГРЕГАТНО-ФАЗОВЫЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ А. АДЕЛЬШИНА ДЛЯ ДВС" И ДВИГАТЕЛЬ, РАБОТАЮЩИЙ ПО ДАННОМУ ЦИКЛУ
ADELSHIN'S ADVANCED AGGREGATE-PHASE THERMODYNAMIC CYCLE FOR ICE METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATION AND ENGINE OPERATING IN THIS CYCLE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к усовершенствованию агрегатно-фазового термодинамического цикла, как способа работы двигателя внутреннего сгорания за счет особых рабочих процессов, с использованием кинетической энергии выхлопных газов, сопровождающийся прочими рабочими процессами энергетического разделения в вихревой камере, как устройстве термодинамического преобразования и обезвреживания выхлопных газов.
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания «Агрегатно-Фазовый термодинамический цикл А. Адельшина для ДВС» и двигатель, работающий по данному циклу [1]. Данный агрегатно-фазовый цикл заключается в последовательном и взаимосвязанном изменении термодинамических параметров выхлопного газа, как рабочего тела ДВС, в результате энергетического разделения в вихревой камере, взаимосвязанной в единую термодинамическую систему с ДВС с образованием единого замкнутого объема. При этом при последовательном воздействии значительных высоких и низких температур с рабочим телом происходят агрегатно-фазовые изменения. Что последовательно приводит к созданию в этом замкнутом объеме устойчивого и значительного вакуума. Этим и достигаются новые свойства по совершению положительного рабочего хода машиной расширения ДВС, как вакуумным двигателем.
К недостаткам данного способа работы можно отнести низкий коэффициент агрегатно-фазовых преобразований рабочего тела и несовершенство по выходу на устойчивые рабочие режимы работы во всем диапазоне рабочих характеристик ДВС.
Принятый за прототип двигатель внутреннего сгорания, для осуществления указанного способа работы, выполнен так, что машина объемного расширения ДВС и вихревая камера энергоразделения образуют единый замкнутый объем, с едиными взаимозависимыми термодинамическими параметрами, с возможностью создания в этом объеме значительного по модулю, длительного по времени действия вакуума. По разным вариантам исполнения данный двигатель снабжен устройствами отвода сконденсировавшейся, либо несконденсировавшейся части рабочего тела ДВС, а также параллельным или последовательным вариантами установки вихревых камер энергоразделения.
Основным недостатком принятого за прототип двигателя является использование в качестве вихревой камеры энергоразделения классической трубки Ранка и свойственные ей недостатки по выходу на устойчивый автомодельный режим при цикличном выхлопе ДВС и общий низкий коэффициент полезного действия.
Целью данного изобретения является дальнейшее усовершенствование указанного агрегатно-фазового термодинамического цикла, как способа работы двигателя внутреннего сгорания и двигателя для его осуществления, путем усовершенствования вихревого движения до классического автомодельного тороидального вихря, оптимизации термодинамических и химических параметров рабочего тела, оптимизация процессов вакуумирования, усовершенствования конструктивных элементов вихревой камеры энергоразделения и ее взаимозависимых параметральных настроек с характеристиками ДВС.
Достигается указанный технический эффект согласно изобретению тем, что для осуществления предлагаемого способа работы двигателя внутреннего сгорания, представляющего замкнутый агрегатно-фазовый термодинамический цикл, заключающийся в том, что в ДВС с вихревой камерой энергоразделения, объединенными в единую взаимозависимую замкнутую термодинамическую систему с единым объемом, выхлопные газы выпускают через центральное сопло в геометрически соответствующую ему вихревую камеру энергоразделения и формируют в ней вихревое течение автомодельного тороидального вихря, в котором производят агрегатно-фазовые преобразования рабочего тела.
По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что конструктивные элементы вихревой камеры энергоразделения выполняют и настраивают взаимозависимо по параметральными характеристикам с ДВС, формируют в ней устойчивый режим автомодельного тороидального вихря и обеспечивают условия его сохранения на всем диапазоне рабочих характеристик ДВС.
По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что в объеме единой замкнутой взаимозависимой термодинамической системы производят откачивание газообразного рабочего тела центральной частью автомодельного тороидального вихря и дополнительно вакуумируют данный объем.
По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что в единый замкнутый объем единой взаимозависимой термодинамической системы вводят дополнительное рабочее тело, оптимизируют химический состав и термодинамические параметры основного рабочего тела и усовершенствуют агрегатно-фазовые преобразования рабочего тела единой взаимозависимой термодинамической системы.
По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что вводимым дополнительным рабочим телом дополнительно производят химико-каталитические преобразования основного рабочего тела единой взаимозависимой замкнутой термодинамической системы.
По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что вводимым дополнительным рабочим телом производят химические реакции над углекислым газом, преобразуют его в жидкое химическое вещество и удаляют его из единой взаимозависимой замкнутой термодинамической системы через систему отвода сконденсировавшейся части рабочего тела.
Для осуществления указанного способа, применительно к известной из уровня техники конструкции ДВС, согласно изобретению, конструкция ДВС, содержащая машину объемного расширения сообщенную с вихревой камерой энергоразделения, с системами отвода несконденсировавшейся и сконденсировавшейся части рабочего тела, выполнена так, что вихревая камера энергоразделения содержит центральное сопло и геометрически выполнена с возможностью формирования в ней вихревого течения автомодельного тороидального вихря.
По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что содержит взаимозависимые конструктивные элементы вихревой камеры энергоразделения и параметральные настройки с ДВС, обеспечивающие формирование устойчивого режима автомодельного тороидального вихря и условия его сохранения на всем диапазоне рабочих характеристик ДВС.
По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что содержит устройство ввода дополнительного рабочего тела в единый объем единой взаимозависимой замкнутой термодинамической системы.
По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что вихревая камера энергоразделения содержит центральное сопло с изменяемой геометрией и устройство привода.
По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что содержит вихревую камеру энергоразделения с возможностью изменения внутреннего объема, содержащую минимум одну подвижную стенку и устройство ее перемещения.
По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что содержит вихревую камеру энергоразделения минимум с одной стенкой выполненной в виде эластичной мембраны.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточных для достижения указанного технического эффекта.
С целью раскрытия дальнейших усовершенствований предлагаемого способа работы, необходимо последовательно пояснить новые данные, которые были получены экспериментально в результате научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), выводы сделанные на основе этого НИОКР, а также соответствующие теоретические изыскания по выявлению физической природы вихревого движения в вихревой камере энергоразделения.
Основным отличием данного усовершенствованного агрегатно-фазового цикла, является оптимизация вихревого движения в вихревой камере энергоразделения до классического (или идеального) тороидального вихря с возможностью формирования самовоспроизводящейся (автомодельной), устойчивой определенно длительное время (достаточного на время минимум одного цикла) вихревой структуры, далее заявляемой как Автомодельный Тороидальный Вихрь (АТВ). Тороидальными вихрями [2] или вихрями Бенара (ячейками Бенара) [3], или сферическими вихрями Хилла (Хикса) [4, 5] называются сходные физические явления, при котором область вращающейся жидкости или газа перемещается через ту же самую или другую область жидкости или газа, когда картина течения принимает форму тороида. В исследованиях [6, 7] были подробно рассмотрены физическая сущность явления и особенности тороидальных вихрей, на основе этих данных были сделаны ряд выводов по совершенствованию конструкции и проведены ряд исследований по оптимизации вихревого течения согласно предлагаемому способу работы.
Так ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, были сделаны выводы, что физическая вихревая природа автомодельного тороидального вихря и вихря в трубке Ранка одинакова. Согласно данным ряда современных исследований [8], вихревое движение в трубке Ранка является разорванным тороидальным вихрем. Хобот вихря уходит в одном направлении, а его периферия уходит в другом направлении. Именно разорванность вихревого движения рабочего тела не позволяет трубке Ранка выйти на высокий КПД. Также сам тангенциально ориентированный сопловой ввод трубки Ранка технически сложен, создает значительное дросселирование потока и последующие значительные потери кинетической энергии газов. Также пристеночное трение останавливает скорость основного потока, что снижает его эффективность.
Физическая основа автомодельного тороидального вихря заключается в физическом феномене гистерезиса, то есть разницы между центростремительной и центробежными силами, выражающаяся в том, что энергия центрального потока оптимизированного тороидального вихря всегда больше энергии его периферийного потока. В результате чего, центральный поток поглощает дополнительную массу рабочего тела более эффективно, чем периферийный, как с тангенциальным вводом в трубке Ранка, чем и обеспечивается более высокий КПД системы. При этом агрегатно-фазовые изменения, происходящие с рабочим телом двигателя внутри тороидального вихря, ввиду значительного изменения основных термодинамических параметров давления (Р) и температуры (Т) в заданном закрытом объеме (V) приводят к возможности создания устойчивого длительное время автомодельного тороидального вихря. Исходя из данного факта, оптимизация вихревого движения путем генерации начального вихря не с периферии камеры через тангенциальный ввод, а из ее центра через центральное сопло, с возможностью создания классического тороидального вихря, общая оптимизация внутренней геометрии камеры энергоразделения под центральное сопло исходя из параметров тороидального вихря, и позволяет достичь заявляемый технический эффект по достижению наибольшего коэффициента полезного действия вихря.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, был сделан вывод, что автомодельный тороидальный вихрь есть устойчивая самоорганизующаяся газодинамическая структура, которая имеет свои собственные уникальные физико-химические параметры и настройки для каждого двигателя и на каждый объект установки, и последовательно, ей соответствуют свои уникальные конструктивные и геометрические признаки генерирующего сопла и вихревой камеры энергоразделения, которые в свою очередь и обеспечивают надежное формирование и устойчивое существование автомодельного тороидального вихря. Сам автомодельный тороидальный вихрь имеет свой характерный и точный геометрический размер, который определяет его пространственные ограничения и условия его устойчивости. Нарушение данных параметров приводит к его саморазрушению и отсутствию режима автомодельного тороидального вихря. Аналогичные выводы содержат ряд научных работ [9], где также определяют условия, что устойчивая газодинамическая структура может возникнуть только в том случае, если среда, образующая ту или иную систему, попадает в условия, когда масштабы собственно системы и среды совпадают, более того, когда они заключены в какой-либо объем, обладают свойством собственной частоты. Это означает, что любое рабочее тело имеет свой характерный размер, и именно условия геометрического ограничения определяет условия устойчивости и самоорганизации вихревого движения в виде автомодельного тороидального вихря.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, согласно известному из уровня техники агрегатно-фазовому циклу, в зоне активного вихря в трубке Ранка с выхлопными газами производят необратимые физико-химические преобразования с возможностью агрегатно-фазовых изменений, с возможностью перехода их составляющих из газообразного состояния в жидкость с соответствующим изменением их объема при той же массе, получением в результате данных преобразований устойчивого вакуума внутри общей замкнутой термодинамической системы и последующим использованием данного вакуума для совершения дополнительного рабочего хода машиной расширения двигателя, как вакуумным двигателем. Такие же аналогичные и последовательные преобразования с рабочим телом происходят и внутри зоны активного тороидального вихря, согласно предлагаемому способу.
Более того, согласно данному усовершенствованному способу работы предлагается дополнительное использование для вакуумирования замкнутой термодинамической системы физического феномена откачивания среды центральной частью автомодельного тороидального вихря. Основа данного физического феномена также заключается в гистерезисе тороидального вихря, то есть из-за разницы между центростремительной и центробежной силами внутри тороидального вихря, энергия центрального потока тороидального вихря всегда больше энергии периферийного потока. В результате чего центральная часть тороидального вихря постоянно поглощает дополнительные массы выхлопных газов находясь в автомодельном режиме. То есть, автомодельный тороидальный вихрь имеет свое инертное вращение определенно долгое время, достаточное для существования между интервалами циклов ДВС, в результате чего, тороидальный вихрь производит вакуумирование внутреннего объема вихревой камеры, объема выхлопного коллектора (выхлопных труб, катализаторов и т.д.), и машины расширения ДВС с целью получения дополнительного рабочего хода машиной расширения ДВС, как вакуумным двигателем.
Формирования вакуума за счет откачивания выхлопных газов центральной частью автомодельного тороидального вихря является дополнительным способом вакуумирования единой взаимозависимой замкнутой термодинамической системы согласно предлагаемому усовершенствованному способу работы, и в зависимости от настройки и режимов работы ДВС, может быть больше, равно или меньше вакууму, создаваемому в результате агрегатно-фазовых преобразований рабочего тела внутри автомодельного тороидального вихря.
Согласно данному изобретению, ряд данных были получены экспериментально.
Так в результате длительных НИОКР с двигателями внутреннего сгорания согласно агрегатно-фазовому способу работы, была выявлена основополагающая параметральная и конструктивная закономерность формирования автомодельного тороидального вихря, как по совокупности физико-химических параметров, так и по основным конструктивным признакам системы, по геометрическому выполнению ее элементов, их взаимному расположению, как необходимая и достаточная основа существенных отличительных признаков для получения технического результата. Данные существенные признаки далее ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО:
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, экспериментально было выявлено, что центральное генерирующее сопло должно отвечать основному принципу, что диаметр щели и ее геометрические параметры должны быть изготовлены так, чтобы генерировать начальное вихревое течение именно в виде тороидального вихря, изначально задавать диаметр его будущей окружности в заданном объеме вихревой камеры, чтобы соответствовать выходу на режим автомодельного тороидального вихря. Основополагающим конструктивным признаком при проектировании и изготовлении такого сопла, является физический факт, что скорость внутреннего потока тороидального вихря больше скорости внешнего потока. То есть, центральное сопло имеет особенности эжектора увеличивающего скорость центрального потока и приостанавливающего периферийный поток. Центральное сопло, которое устойчиво формирует вихревое течение в виде тороидального вихря, как главное исполнительное устройство, и формирование тороидального вихря центральным соплом с настроенной по геометрическим параметрам с ним вихревой камерой, как основа нового способа и устройства для его осуществления, есть основные взаимозависимые совокупные конструктивные признаки согласно предлагаемому изобретению.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, в результате НИОКР было выявлено, что для существования устойчивого режима автомодельного тороидального вихря необходимо определенное соотношение параметров продольной (Sпр.) и радиальной скоростей (Sрад.) вихря, которые наиболее оптимальны при условии формирования вихря близкого по периферийному диаметру (Dпер.) к двум диаметрам его образующих (Dобр.). А такое соотношение (Dпер.=2Dобр.), последовательно, возможно обеспечить только нахождением определенного геометрического размера вихревой камеры энергоразделения исходя из физико-химических параметров рабочего тела каждого конкретного ДВС. При этом также было выявлено, что возможно существование автомодельного тороидального вихря в виде деформированного тора при различных длинах камеры и возможность увеличения объема камеры при увеличении оборотов без потери структуры тороидального вихря.
Экспериментально было выявлено, что такие конструктивные признаки вихревой камеры, как геометрические размеры камеры и ее взаимосвязь с ДВС, качество обработки ее поверхности, материал камеры и т.д. являются существенными и взаимозависимыми конструктивными признаками для осуществления работоспособности данного изобретения.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, суммарно базируясь на экспериментальных данных, было установлено, что существует основополагающая параметральная и конструктивная взаимозависимость для единой термодинамической системы между параметрами ДВС (объем двигателя (Vдв.), мощность (Рдв.), обороты в мин., нагрузка, тип топлива и смесеобразования и т.д.), физико-химическими параметрами рабочего тела двигателя (химический состав и плотность газов, их температура (Т), давление (Р), суммарный объем (V) на входе, скорость течения газов (Vgas.) и т.д.), конструктивными особенностями и геометрическими параметрами вихревой камеры энергоразделения (суммарным объемом камеры (Vкам.), ее диаметром (Dкам.) и ее длиной (Lкам.), диаметром и геометрией входного сопла (dcon.), диаметром выхлопных труб (dтр.) и их длиной (Lтр.) до точки установки вихревой камеры, количеством искривлений труб и их углами и т.д.), и конечным устойчивым результатом формирования и длительного существования режима автомодельного тороидального вихря для обеспечения заявляемого способа работы. При этом, сами данные параметры, как правило, подбираются и регулируются экспериментально для каждой силовой установки на каждом объекте установки, например на автомобиле.
Также, в результате данного НИОКР была установлена обратная закономерность, заключающаяся в невозможности существования устойчивого режима автомодельного тороидального вихря и нормальной работы ДВС без условия соблюдения данных определенных уникально подобранных конструктивных элементов и параметральных настроек, формирующих вихрь.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, было выявлено экспериментально, что режим начального вихря на холостых оборотах это одна техническая задача со своими настройками (температурой (Т), давлением (Р), скоростью (V) и химическим составом выхлопных газов), а удержание вихря на всем диапазоне оборотов ДВС есть другая, более сложная техническая задача со многими вводными (ряд параметров нестабилен), требующая других технических устройств и настроек. Иными словами, созданию начального вихревого режима тороидального вихря соответствуют свои конструктивные признаки упрощенного устройства и свой способ работы, а технической задаче удержания такого автомодельного режима тороидального вихря на всем диапазоне работы ДВС, соответствует уже свой способ работы и свое усложненное исполнительное устройство с возможностью автоматического регулирования, имеющее свои отличительные конструктивные признаки и настройки. Это и выявило наличие новых конструктивных признаков исполнительных устройств для достижения технического результата.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, экспериментально было выявлено, что сами термодинамические параметры, как температура (Т) и давление газов (Р) для разных режимов тоже отличались существенно, ввиду нагрузки и цикличности выхлопа ДВС и ввиду того, что обороты варьируются с холостых (750 об./мин.) и до предельных (7000 об./мин.), то есть в десять раз. Был сделан экспериментальный вывод, что если объем выхлопных газов увеличивается в десять раз, а объем вихревой камеры остается прежним, то вихревая система корректно работать не будет, а установка батареи из десяти вихревых труб под днищем автомобиля технически не возможна. Соответственно, экспериментально была выявлена проблема, что параметры сопла и параметры вихревой камеры по объему должны иметь изменения своих настроек исходя их оборотов и нагрузки ДВС. В результате был сделан и экспериментально опробован прототип с изменяемой геометрией сопла и одной эластичной стенкой, выполненной из резиновой мембраны, который показал хорошие результаты на всем диапазоне характеристик работы ДВС. Данный прототип и его вариант с подвижной стенкой является одним из вариантов осуществления конструкции предлагаемого ДВС.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, стандартный двигатель внутреннего сгорания, как правило, спроектирован под определенную выхлопную систему на конкретном объекте установки, например на автомобиле, исходя из его размеров и полостей под днищем. Соответственно, в случае агрегатирования двигателя с вихревой камерой энергоразделения, такие параметры ДВС как фазы газораспределения, угол опережения зажигания (впрыска), степень сжатия и т.д. должны быть изменены и подобраны по параметральным характеристикам взаимозависимо с характеристиками вихревой камеры энергоразделения. Таким образом, специально подобранные настройки двигателя также составляют параметральные отличительные признаки согласно заявляемому способу работы.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО в результате НИОКР было выявлено, что работоспособная вихревая система, установленная и в целом положительно испытанная на одном автомобиле, при установке на другой автомобиль, либо с бензинового автомобиля на дизельный, вообще не давала положительного результата, либо давала частичный, ввиду не выхода на режим автомодельного тороидального вихря. Также, работоспособная система в случае установки на старый ДВС со значительным расходом масла, либо на ДВС, работающий с неотрегулированными стехиометрическими параметрами состава топливо-воздушной смеси, так же могла не выходить на режим автомодельного тороидального вихря или работать неустойчиво. Также в ряде экспериментов из выхлопной трубы вообще вылетало пламя недогоревших выхлопных газов, то есть были отличительные признаки активных химических реакций горения и крайне нестабильного термодинамического тела.
Такое термодинамическое несовершенство рабочего тела на всех режимах работы ДВС, выявило необходимость усовершенствования самого термодинамического рабочего тела за счет ввода в ДВС дополнительного рабочего тела, например воды или ее растворов. Такое устройство ввода дополнительного рабочего тела может иметь несколько точек ввода (например, в цилиндр, коллектор или выхлопную трубу, сопло, либо в саму вихревую камеру и т.д.) и несколько разных рабочих тел одновременно в зависимости от настроек. Введение воды радикально увеличивает объем газообразного рабочего тела при вскипании капель воды (до 1700 раз) и увеличивает состав паров воды в общем, процентном химическом составе выхлопных газов, снижает температуру рабочего тела и увеличивает плотность, и дает значительное усовершенствование по первичной конденсации рабочего тела при агрегатно-фазовом переходе с газа (пара) в состоянии жидкости в зоне активного тороидального вихря со свойственным ей уменьшением своего объема при конденсации, что и приводит к созданию значительного вакуума в замкнутой термодинамической системе.
2
2
2
3
При этом, также существует малоизученный на данном этапе НИОКР процесс, связанный с растворением, смешением или диффузией составляющих химических элементов рабочего тела в зоне тороидального вихря в сконденсировавшихся парах воды. Так можно утверждать, что существует химический процесс взаимодействия углекислого газа (СО) с водой (НО) с образованием угольной кислоты (НСО).
2
2
2
3
CO+HO=HCO
2
Угольная кислота химически неустойчива и в момент образования сразу же распадается на составляющие. Тем не менее, на данном этапе НИОКР можно утверждать, чем больше долей воды в выхлопных газах, тем более качественно растворяются в ней другие элементы выхлопных газов, такие как углекислый газ (СОх, CO) и углеводороды (СНх) оксиды азота (NOx), и т.д.
Надо отметить, что из уровня техники известны системы ввода воды (или растворов) внутрь ДВС в разных вариантах исполнения, но они ориентированы на выполнение других технических задач. Отличительными признаками предлагаемого устройства является агрегатирование устройства ввода воды (химических растворов (нового рабочего тела)) в одну систему последовательно с вихревой камерой энергоразделения с возможностью осуществления необратимых агрегатно-фазовых преобразований рабочего тела ДВС в зоне активного автомодельного тороидального вихря.
Основными отличительными признаками предлагаемого способа, совокупно влияющими на новый достигаемый технический результат, является то, что достигается последовательное изменение термодинамических параметров основного рабочего тела, оптимизация процентного состава химических элементов основного рабочего тела, с целью последующего усовершенствования агрегатно-фазовых преобразований обобщенного рабочего тела в активной зоне автомодельного тороидального вихря с возможностью растворения части химических элементов выхлопных газов в парах воды, с возможностью последующего получения более устойчивого вакуума внутри единой замкнутой взаимозависимой термодинамической системы.
Данные конструктивные признаки являются существенными и взаимозависимыми и составляют основные отличия, как по способу работы, так и к известным из уровня техники устройствам ввода воды (растворов) внутрь ДВС. На основе этого, предлагается один из вариантов осуществления усовершенствованного агрегатно-фазового цикла и соответствующее устройство.
x
2
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, в продолжении способа ввода нового рабочего тела внутрь ДВС, дальнейшие эксперименты были проведены с дизельными грузовыми автомобилями со стандартом ЕВРО-5 (ЕВРО-6) со стандартными системами впрыска реагента «Adblue+» (или «DEF» (водный раствор мочевины). Данная, известная из уровня техники, технология избирательной каталитической нейтрализации SCR, основными компонентами которой являются SCR катализатор, узел впрыска, бак для «Adblue+» и дозатор, который впрыскивает данный раствор, состоит в химико-каталитическом преобразовании опасных молекул оксида азота (NO) в безвредный азот (N) и воду (НО). Экспериментально было выявлено, что в результате данных химико-каталитических реакций, выхлопные газы, как рабочее тело единой термодинамической системы, претерпевают значительные изменения по температуре (Т), давлению (Р), плотности и химическому составу. Задачей НИОКР было выявить на данной известной из уровня техники системе SCR возможность агрегатно-фазовых преобразований в зоне активного тороидального вихря при агрегатировании с вихревой камерой энергоразделения. В результате НИОКР выявлено, что обычная вихревая камера энергоразделения, успешно опробованная на обычном двигателе без системы SCR, не работает корректно. То есть, получаемое в дизелях в системе SCR в результате химико-каталитических реакций новое термодинамическое тело имеет ряд значительных отличительных признаков для осуществления агрегатно-фазовых преобразований в зоне автомодельного тороидального вихря, изменяет сам вихревой процесс и имеет признаки нового отдельного способа работы, и соответственно признаки своей параметрально настроенной камеры энергоразделения, что и составляет один из вариантов осуществления способа работы.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, для бензиновых двигателей наиболее критичными являются параметры по выхлопу углекислого газа. В связи с чем, известные из уровня техники, химические реакции взаимодействия углекислого газа с основными оксидами (образованными только активными металлами), либо с пероксидами активных металлов, либо с щелочами (основаниями), либо с известковой водой, позволяют преобразовать углекислый газ, находящийся в газообразном состоянии, в химическое вещество в состоянии жидкости (карбонаты, гидрокарбонаты и различные соли металлов). Так в качестве примера, согласно [10], возможны следующие химические реакции:
реакции с основными оксидами с образованием соли
2
3
СаО+СО= =СаСО
2
3
2
2
3
3
AlO+3CO=Al(СО)
реакции с основаниями, щелочами
2
3
CO+NaOH(dilute)=NaHCO
2
2
3
2
CO+2NaOH(conc)=NaCO+HO
реакция с пероксидами активных металлов
2
2
2
2
3
2
2CO+2NaO=2NaCO+O↑
реакция с известковой водой
2
2
3
2
CO+Са(ОН)=СаСО↓+НО
Безусловно, данные реакции являются лишь примером осуществления, но они доказывают, что в рабочем теле ДВС возможно полное преобразование газообразного состояния углекислого газа в жидкое состояние в связанном химическом соединении и удаление его через жидкое вещество для дальнейшей рециркуляции или утилизации. Это определяет признаки нового способа работы ДВС, в котором химический состав рабочего тела, вводимый внутрь ДВС, имеет возможность химического преобразования углекислого газа в жидкое химическое вещество, с дальнейшими его преобразованиями в зоне автомодельного тороидального вихря, с возможностью удаления продуктов реакции через систему отвода сконденсировавшейся части рабочего тела ДВС. Также, изменение собственного массового объема занимаемого углекислым газом при переходе в агрегатное состояние жидкости, полученное внутри общего объема замкнутой единой взаимозависимой термодинамической системы, приводит к созданию более устойчивого вакуума внутри этого объема. Также, протекание химических реакций внутри автомодельного тороидального вихря обеспечивает более качественное смешивание химического состава на первичных этапах, что также способствует высокой эффективности химической реакции. В наиболее простом варианте, устройство для осуществления ввода, представляет в одной части известную из уровня техники систему ввода химического состава внутрь выхлопной системы с катализатором (или без него), но далее последовательно агрегатировано с параметрально настроенной вихревой камерой энергоразделения с системой отвода сконденсировавшейся части выхлопных газов и достигает другие технические результаты, что также определяет новые отличительные конструктивные признаки. Система отвода сконденсировавшейся части рабочего тела представляет отработанные в технике решения и состоит в общем случае из системы выводящих трубопроводов, регулирующих кранов (клапанов), фильтров, сепараторов, отстойников, испарителей, резервуаров и т.д. позволяющих отводить жидкое рабочее тело из вихревой камеры и собирать его для последующей утилизации или рециркуляции.
Таким образом, вышеперечисленное определяет дополнительные отличительные признаки усовершенствованного способа работы, заключающиеся во вводе внутрь ДВС нового рабочего тела имеющего свойства химического состава для осуществления химико-каталитических реакций с углекислым газом с преобразованием его в жидкое химическое вещество, с возможностью осуществления его агрегатно-фазовых преобразований внутри активного автомодельного тороидального вихря, с возможностью его удаления в дренаж через известную по прототипу систему отвода сконденсировавшейся части выхлопных газов, и с возможностью получения более сильного и устойчивого вакуума внутри единой взаимозависимой замкнутой термодинамической системы.
На основе данных конструктивных признаков предлагается один из вариантов нового способа осуществления усовершенствованного агрегатно-фазового цикла.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО И СУММАРНО:
Экспериментально выявленная параметральная и конструктивная взаимозависимость и отличительные конструктивные признаки усовершенствованного способа работы ДВС, представляющего замкнутый агрегатно-фазовый термодинамический цикл, заключающиеся в том, что в ДВС с вихревой камерой энергоразделения, объединенными в единую взаимозависимую замкнутую термодинамическую систему с единым объемом, выхлопные газы выпускают через центральное сопло в геометрически соответствующую ему вихревую камеру энергоразделения и формируют в ней вихревое течение автомодельного тороидального вихря, в котором производят агрегатно-фазовые преобразования рабочего тела с возможностью получения более устойчивого вакуума. По другому варианту способа работы, заключающиеся в том, что конструктивные элементы вихревой камеры энергоразделения выполняют и настраивают взаимозависимо по параметральными характеристикам с ДВС и формируют в ней устойчивый режим автомодельного тороидального вихря и обеспечивают условия его сохранения на всем диапазоне рабочих характеристик ДВС. По другому варианту способа работы, заключающиеся в том, что в едином объеме единой взаимозависимой замкнутой термодинамической системы производят откачивание газообразного рабочего тела центральной частью автомодельного тороидального вихря и дополнительно вакуумируют данный объем с возможностью получения более устойчивого вакуума. По другому варианту способа работы, заключающиеся в том, что в единый объем единой замкнутой взаимозависимой термодинамической системы вводят дополнительное рабочее тело, оптимизируют химический состав и термодинамические параметры основного рабочего тела и усовершенствуют агрегатно-фазовые преобразования обобщенного рабочего тела единой взаимозависимой термодинамической системы. По другому варианту способа работы, заключающиеся в том, что вводимым дополнительным рабочим телом дополнительно производят химико-каталитические преобразования основного рабочего тела единой взаимозависимой термодинамической системы с возможностью оптимизации агрегатно-фазовых преобразований обобщенного рабочего тела. По другому варианту способа работы, заключающиеся в том, что вводимым дополнительным рабочим телом производят химические реакции над углекислым газом, преобразуют его в жидкое химическое вещество и удаляют его из единой взаимозависимой замкнутой термодинамической системы через систему отвода сконденсировавшейся части рабочего тела.
Указанные признаки СУММАРНО составляют основу существенных и взаимосвязанных конструктивных признаков обеспечивающих технический результат для достижения предлагаемого усовершенствованного агрегатно-фазового способа работы ДВС.
Двигатель согласно данному способу содержит взаимозависимые конструктивные элементы вихревой камеры энергоразделения и параметральные настройки с ДВС, обеспечивающие формирование устойчивого режима автомодельного тороидального вихря и условия его сохранения на всем диапазоне рабочих характеристик ДВС, и оснащен дополнительными устройствами, обеспечивающими данные конструктивные признаки. По одному варианту, двигатель содержит устройство ввода дополнительного рабочего тела в единый объем единой замкнутой взаимозависимой термодинамической системы. По другому варианту, вихревая камера энергоразделения содержит центральное сопло с изменяемой геометрией и устройство привода. По другому варианту, содержит вихревую камеру энергоразделения с возможностью изменения внутреннего объема, содержащую минимум одну подвижную стенку и устройство ее перемещения. По другому варианту, содержит вихревую камеру энергоразделения минимум с одной стенкой выполненной в виде эластичной мембраны.
В этом состоят, по сравнению с аналогами, основные отличительные конструктивные признаки ДВС, как устройства для осуществления предлагаемого усовершенствованного агрегатно-фазового способа.
Другие технические решения, содержащие конструктивные признаки, изложенные в формуле изобретения в качестве отличительных не известны, что позволяет сделать вывод о наличии новизны и изобретательского уровня у заявляемого изобретения.
В качестве примера исполнения устройства для достижения указанного технического эффекта принят четырехтактный поршневой одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Безусловно, данное решение не исчерпывает всей полноты возможных технических вариантов осуществления двигателя и предлагаемого способа, и является лишь демонстрирующим сущность последовательных признаков, как наиболее простой вариант.
Конструкция двигателя, реализующего предложенный усовершенствованный агрегатно-фазовый термодинамический цикл, представлена в разных вариантах на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 представлен основной вариант двигателя, содержащий машину объемного расширения, сообщенную с вихревой камерой энергоразделения с центральным соплом с изменяемой геометрией, с одной подвижной стенкой и механизмом их перемещения, системой ввода дополнительного рабочего тела, каталитическим нейтрализатором и системами отвода несконденсировшейся и сконденсировавшейся части рабочего тела.
На фиг. 2 представлен другой вариант осуществления вихревой камеры энергоразделения данного ДВС с возможностью изменения объема с одной эластичной мембраной.
Основными деталями двигателя являются картер 1, внутри которого размещена кривошипно-шатунная группа, состоящая из коленчатого вала 2, шатуна 3 и поршня 4, совершающего возвратно-поступательные движения в цилиндре 5. В крышке (головке) 6 смонтированы клапан впуска 7 и клапан выпуска 8 с соответствующими системами привода. К выпускному коллектору (выхлопной трубе) 9 последовательно присоединены устройство ввода дополнительного рабочего тела состоящее из форсунки (инжектора) 10, соединенного через устройство подачи (дозатор) 11 с баком (баллоном) 12, далее устройство привода исполнительных механизмов, представляющее соединенный с выпускным коллектором мембранный пневматический механизм 13 с рычажно-шарнирным приводом 14. На окончании выхлопного коллектора 9 установлена вихревая камера энергоразделения 15 с центральным соплом 16, соединенным с приводом 14 и подвижная стенка 17 также соединенная с приводом 14. Вихревая камера 15, как функциональный элемент общей термодинамической системы содержит также известные из уровня техники системы отвода несконденсировавшейся части выхлопных газов 18 и дренажную систему для сконденсировавшейся части 19. Также в случае применения вводимого рабочего тела с возможностью химико-каталитических преобразований над выхлопными газами, в выхлопной коллектор установлен известный из уровня техники катализатор 20.
На Фиг. 2, в наиболее простом варианте исполнения, аналогичный двигатель, оснащенный установленной на выпускном коллекторе 9 вихревой камерой энергоразделения 15, с центральным соплом 16 и известными из уровня техники системами отвода несконденсировавшейся 18 и сконденсировавшейся частями рабочего тела 19, содержит минимум одну стенку 21, выполненную в виде эластичной мембраны, например из армированной резины.
Работает двигатель следующим образом. Топливо и необходимый для его сгорания воздух вводят через клапан впуска 7 в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки 6, стенками цилиндра 5 и днищем поршня 4. Это и есть объем машины расширения данного поршневого ДВС. Образующиеся при сгорании газы, имеющие высокую температуру, давят на поршень 4 и перемещают его в цилиндре 5. Поступательные движения поршня 4 через шатун 3 передается установленному в картере коленчатому валу 2, который и преобразует его во вращательное движение. На данном этапе совершается положительный рабочий ход непосредственно за счет сил от расширения газа при движении поршня от ВМТ к НМТ (верхняя и нижняя мертвые точки).
На данном такте, или цикле, а также на предшествующих циклах подготовительных процессов, т.е. на тактах впуска топливо-воздушной смеси, ее сжатия, возгорания и расширения, данный ДВС работает аналогичным образом, как большинство известных конструкций четырехтактных ДВС.
Основные отличия работы данного ДВС начинаются на такте (цикле) выпуска. В момент открытия выпускных клапанов 8, выпускные газы, имея значительное давление, температуру на скоростях близким к скорости звука (600-800 м/с), попадают через коллектор 9, в вихревую камеру энергоразделения 15 через центральное сопло 16, которое формирует вихревое течение тороидального вихря. При этом конструктивные элементы камеры энергоразделения 15 по параметральным характеристикам выполнены взаимозависимо с параметральными характеристиками ДВС и его настройками, в результате чего достигается режим АТВ на всем диапазоне рабочих характеристик ДВС. Далее, с выхлопными газами в активной зоне АТВ происходят значительные необратимые физико-химические преобразования с возможностью агрегатно-фазовых преобразований рабочего тела, с возможностью создания длительного и устойчивого вакуума внутри единой термодинамической системы и совершения дополнительного положительного рабочего хода машиной расширения ДВС, как вакуумным двигателем, согласно известному из уровня техники агрегатно-фазовому способу.
При этом, согласно новому усовершенствованному способу работы, формирование устойчивого вакуума внутри единой термодинамической системы возможно не только за счет агрегатно-фазовых преобразований над рабочим телом ДВС в зоне АТВ, но и в результате использования эффекта откачивания выхлопных газов центральной частью АТВ, который используется дополнительно для вакуумирования внутреннего объема единой термодинамической системы, состоящей из объема между поршнем 4, цилиндром 5 и крышкой (головкой) цилиндра 6, выпускным коллектором 9 с исполнительными механизмами, и вихревой камерой 15.
Согласно другому варианту заявляемого двигателя, содержит устройство ввода дополнительного рабочего тела в единую взаимозависимую термодинамическую систему состоящую из вихревой камеры и ДВС. Данное устройство в целом известно из существующего уровня техники как отработанное промышленностью решение, и состоит из бака 12, либо баллона в случае газообразного состояния впрыскиваемого рабочего тела, устройства подачи (дозатора) 11, узла впрыска (форсунки) 10, и т.д. Работает данное устройство следующим образом. Из бака 12 подается вводимое рабочее тело, например вода, которая через соединительные трубки поступает в дозатор 11, отмеряющий и подкачивающий необходимое количество вводимого агента и далее поступает в узел впрыска 10, представляющий форсунку в самом простом варианте исполнения, и впрыскивается ей во внутрь рабочего объема единой термодинамической системы, например, в наиболее простом варианте в соединительную выплопную трубу коллектора 9. При этом происходит изменение общих термодинамических параметров рабочего тела (P и Т) за счет смешения и испарения вводимого нового рабочего тела. В примере с водой, долевое увеличение паров воды в общем процентном составе значительно увеличивает долю агрегатно-фазовых изменения рабочего тела в зоне вихря и увеличивает общий термический коэффициент системы, чем и достигается набор отличительных признаков.
2
По другому варианту исполнения двигателя, устройство ввода дополнительного рабочего тела предполагает рабочее тело с возможностью осуществления химико-каталитических преобразований с выхлопными газами. В качестве примера приводится устройство, основанное на известной из уровня техники технологии избирательной каталитической нейтрализации SCR для дизельных грузовых автомобилей. Основными компонентами которой являются SCR катализатор 20, установленный в последовательности между выпускным коллектором 9 и вихревой камерой 15, бак для «Adblue+» (водный раствор мочевины), дозатор 11, и узел впрыска 10, которые управляются центрально компьютером двигателя через исполнительные устройства. Работает данное устройство следующим образом, раствор мочевины поступает из бака 12 через дозатор 11 в узел впрыска 10, который осуществляет ввод данного химического состава внутрь выпускного тракта до катализатора 20, далее смешиваясь с выхлопными газами и испаряясь в них, данная смесь поступает в катализатор 20, в котором происходят химико-каталитические реакции по нейтрализации химически опасных молекул оксида азота в безвредный азот (N) и воду (Н0). В результате данных химико-каталитических реакций, выхлопные газы, как рабочее тело единой термодинамической системы, претерпевают значительные изменения по химическому составу и по термодинамическим параметрам, и далее вводятся далее в вихревую камеру 15, в которой над ними осуществляются дальнейшие преобразования в зоне активного АТВ, с возможностью создания более сильного и устойчивого вакуума внутри единой замкнутой взаимозависимой термодинамической системы, с последующим отводом в дренаж образовавшегося жидкого рабочего тела через систему отвода сконденсировавшейся части рабочего тела 19.
Данное устройство работает аналогичным образом в случае применения химических веществ, которые производят химические реакции над углекислым газом и преобразуют его в жидкое химическое вещество, с последующим отводом в дренаж образовавшегося через систему отвода сконденсировавшейся части рабочего тела 19 для последующей рециркуляции и утилизации.
По другому варианту исполнения, аналогичный двигатель с целью наиболее точной настройки параметров устойчивого режима АТВ на всем диапазоне рабочих характеристик ДВС содержит основные элементы вихревой системы с автоматически изменяемыми параметрами. Так центрально установленное сопло 16 выполнено с возможность изменения внутренней геометрии и представляет собой в простейшем варианте лепестковое сопло, хорошо известное из уровня техники. Для управления служит исполнительный механизм, в простейшем варианте в виде пневматической мембраны с плунжером 13, расширяющейся при повышении давления газов в выпускном тракте, и рычажно-шарнирным приводом 14 от нее на лепестковый механизм сопла. Соответственно к соплу 16 с изменяемой геометрией для наиболее корректной работы на всем диапазоне рабочих характеристик ДВС, вихревая камера 15 выполнена с возможностью изменения внутреннего объема. Одним из вариантов исполнения является минимум одна подвижная стенка вихревой камеры, выполненная в виде подвижного дна 17 и соединенная через рычажно-шарнирный привод 14 с мембранным механизмом 13. Данный вариант является простейшим и иллюстрирующим, также возможно использование других видов сопел с изменяемой геометрией, других типов привода (тросовый, пневматический, гидравлический, электрический и т.д.), их последовательности, управляющих механизмов и т.д.
Работает данное устройство следующим образом, при увеличении оборотов или нагрузки ДВС, выхлопные газы поступают в выпускной коллектор 9 и соответственно увеличивают внутреннее давление в нем. Пневматический мембранный механизм 13 воспринимает увеличение данного давления и производит рабочий ход своим плунжером, который через систему рычажно-шарнирных приводов 14 приводит в движение исполнительные механизмы, увеличивая открытие сопла с изменяемой геометрией 16, и одновременно увеличивая объем вихревой камеры, отодвигая стенку 17. Таким образом, достигается наилучшая взаимозависимость характеристик вихревой камеры с параметральными характеристиками ДВС на всем диапазоне рабочих характеристик ДВС.
На Фиг. 2, в качестве наиболее простого варианта исполнения, двигатель содержит установленную на выпускном коллекторе 9 вихревую камеру энергоразделения 15, с центральным соплом 16 и известными из уровня техники системами отвода несконденсировавшейся 18 и сконденсировавшейся части рабочего тела 19, и содержит минимум одну стенку 21, выполненную в виде эластичной мембраны, например из армированной резины. Данное устройство работает аналогично ранее представленному, с возможностью образования АТВ при прохождении выхлопных газов через центральное сопло, и обеспечивает формирование устойчивого режима автомодельного тороидального вихря и условия его сохранения на всем диапазоне рабочих характеристик ДВС за счет увеличения, растяжения собственной площади при увеличении давления в вихревой камере. Особенностью устройства является возможность автоматической регулировки под давление внутри вихревой камеры энергоразделения при отсутствии специальных механизмов привода. Такая простота конструкции увеличивает надежность системы в целом и снижает ее себестоимость в производстве.
Суммарный результат состоит в повышение КПД двигателя и его основных характеристик, обусловленный увеличением полезной работы, выполняемой вакуумом. Также увеличиваются экологические параметры двигателя. При работе двигателя по данному циклу повышается равномерность хода коленчатого вала, благоприятно отражающаяся на работе того механизма, который связан с двигателем.
Следует отметить, что конструктивно, данные технические варианты осуществления ДВС базируются на известных из уровня техники решениях и отработанных в промышленности технологиях, не требуют новых топлив и значительной переделки конструкции ДВС, и соответствующей ей сложившейся общемировой инфраструктуры эксплуатации и обслуживания. Это также подтверждает возможность осуществления и промышленной применимости данного изобретения.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:
(по тексту описания в квадратных скобках)
1. Адельшин А.В. Адельшин Р.В. Описание патента РФ №2197622 «Способ работы двигателя внутреннего сгорания «Агрегатно-фазовый термодинамический цикл А. Адельшина для ДВС» и двигатель, работающий по данному циклу», дата публикации патента 27.01.2003.
2. «ТОРОИДАЛЬНЫЙ ВИХРЬ» Википедия
https://ru.wikipedia.org/wiki/Тороидальный_вихрь
3. «Ячейки Бенара» Википедия
https://ru.wikipedia.org/wiki/Ячейки_Бенара
4. «Вихрь - Хилл» Большая энциклопедия нефти и газа
http://www.ngpedia.ru/id471733p1.html
5. «Кольцо» http://altsci.ru/wiki/Кольцо
6. Верин О.Г. «ИДЕАЛЬНЫЙ ВИХРЬ (ВОРОНКА, ВИХРЕВОЙ ШНУР, ТОРОИДАЛЬНЫЙ ВИХРЬ)» http://nauka.info/files/files/1450991403.pdf
7. Коган И.Ш. «Момент импульса тороида» 2011 г.
http://physicalsystems.org/index07.02.9.2.html
8. В. Букреев «Гистерезис вихря Бенара»
http://khd2.narod.ru/authors/bukreev/bergist.htm
9. Ю.М. Кочетков «Турбулентность. Турбулентность Бенара»,
Двигатель №5(95) 2014 год. www.dvigately.ru
10. «Физические и химические свойства углекислого газа»
ru.solverbook.com/spravochnik/svojstva-po-ximii/fizicheskie-i-ximicheskie-svojstva-uglekislogo-gaza/