ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ КАЗАНЦЕВА
KAZANTSEV PISTON ENGINE

Изобретение относится к тепловым двигателям, различного назначения, в частности к автотракторным двигателям.
Известен карбюраторный двигатель внутреннего сгорания, включающий: цилиндропоршевую часть, служащую для преобразования энергии рабочего тела в механическую работу (в дальнейшем тексте - преобразователь), головку цилиндров с впускными и выпускными клапанами, систему водяного охлаждения, омывающую стенки вокруг камеры сгорания, карбюратор и каналы, подводящие топливовоздушную смесь к камере сгорания. Водяное охлаждение позволяет деталям преобразователя работать без перегрева. Недостаток этого двигателя состоит в том, что внешнее жидкостное охлаждение отбирает у двигателя большое количество тепла, чем снижает его кпд на 25-30%. Кроме того, воздух поступает в цилиндр самовсасыванием через карбюратор, что вследствие дросселирования и нагрева снижает наполняемость цилиндра преобразователя воздухом. Существенным недостатком является и то, что в этом двигателе осуществляется одноступенчатый процесс сжатия воздуха с нагревом (политропный процесс), а это обуславливает завышенную работу и низкое давление сжатия, не более 3 МПа (см. Михайловский Е.В. и др. Автомобили. М.: Машиностроение, с.70-74, жидкостная система охлаждения, рис.58).
Известен двигатель внутреннего сгорания, стенки рабочей камеры преобразователя которого изнутри выстланы пористыми вставками, через которые на такте расширения подается вода. Под действием высокой температуры сгорания топлива вода испаряется и образует паровую рубашку внутри рабочей камеры преобразователя. Такое устройство двигателя позволяет, благодаря пористой рубашке, осуществить низкотемпературный тепловой режим работы пар трения и исключить внешнее водяное охлаждение.
Недостаток такого двигателя состоит в том, что пар продолжает поступать в рабочую камеру из пористых вставок преобразователя и во время такта наполнения ее свежим воздухом. Это не позволяет осуществить стабильный процесс горения внутри рабочей камеры, уменьшает объем вводимого воздуха, мощность и кпд двигателя (US 4281626).
Технической задачей изобретения является повышение мощности и кпд двигателя, экономия расхода топлива, упрощение конструкции и повышение экологичности двигателя.
Поставленная задача решается за счет того, что поршневой двигатель, содержащий преобразователь для превращения энергии рабочего тела в механическую энергию, топливный насос, гидронасос, согласно изобретению снабжен внешней камерой сгорания, вынесенной за пределы преобразователя, парогенератором и компрессором, при этом компрессор пневматически соединен с внешней камерой сгорания, которая через парогенератор соединена с преобразователем, а топливный насос гидравлически соединен с внешней камерой сгорания, гидронасос гидравлически соединен с парогенератором. Внешняя камера сгорания размещена в парогенераторе. Внешняя камера сгорания снабжена газовой камерой, отделяющей продукты сгорания от пара. Газовая камера имеет объем более двадцати цикловых объемов преобразователя. Парогенератор имеет объем более двадцати цикловых объемов преобразователя. Между ступенями сжатия сжимаемого воздуха установлен воздухоохладитель. Двигатель снабжен внешней системой жидкостного охлаждения. Внешняя система жидкостного охлаждения гидравлически соединена с гидронасосом. Двигатель снабжен теплоизоляционной рубашкой. Двигатель снабжен турбокомпрессором. Турбокомпрессор пневматически соединен с преобразователем и.компрессором. Компрессор и преобразователь объединены в один блок. Преобразователь имеет отдельный от компрессора масляный картер. Преобразователь снабжен выпускными окнами. Двигатель имеет одну внешнюю камеру сгорания на несколько преобразователей, гидравлически соединен с внешней системой жидкостного охлаждения. Подача топлива, охлаждающей жидкости и рабочего тела выполнены регулируемыми,
Преобразователь выполнен в виде пневмодвигателя Казанцева, который известен из патента RUI №2005886, опубликованного 15.01.1994.
Преобразователь выполнен в виде адиабатного двигателя Казанцева, который известен из опубликованных 10.03.2003 сведений о заявке RU №2001111342.
Преобразователь выполнен в виде двигателя Дизеля.
Преобразователь выполнен в виде двигателя Ванкеля.
Преобразователь выполнен в виде двигателя роторного.
Преобразователь выполнен в виде двигателя Стирлинга.
Компрессор выполнен поршневым.
Компрессор выполнен турбинным.
Компрессор выполнен центробежным.
Анализ известных технических решений в области поршневых тепловых двигателей позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение позволяет использовать тепло, уходящее через стенки двигателя, и тепло отработавшего рабочего тела и на этой основе повысить кпд работы двигателя внешнего сгорания до 61-65.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема поршневого двигателя внешнего сгорания с охлаждением сжимаемого воздуха в нижней ступени давления с накоплением и парожидкостным охлаждением продуктов сгорания внутри парогенератора, с преобразователем из парных цилиндров, первый из которых - изобарный, второй - адиабатный, работающий с глубоким расширением рабочего тела, а также с конденсаторным отбором жидкости из отработанного парогазового рабочего тела и повторным ее использованием в парогенераторе и с рекуперацией тепла жидкостной системы внешнего охлаждения двигателя.
На фиг.2 - вариант 2 преобразователя, выполненного в виде пневматического адиабатного двигателя, работающего ан продуктах сгорания и, параллельно, работающий потребитель парообразного рабочего тела.
На фиг.3 - вариант 3 преобразователя, выполненного в виде роторного аксиального многоцилиндрового пневматического двигателя с наклонной шайбой.
На фиг.4 - вариант 4 преобразователя, выполненного в виде цилиндра с двумя впускными и двумя выпускными окнами, внутри которого - трехгранный ротор - поршень совершает шесть рабочих циклов за один оборот вала.
На фиг.5 - схема двигателя, несущего в одном блоке с раздельными картерами компрессор, и топливный и гидравлические насосы, бесклапанный преобразователь с выпускными окнами и внутренней камерой сгорания. Двигатель также снабжен внешней камерой сгорания, встроенной в парогенератор, турбокомпрессором и конденсатором типа "Ванкель" и с турбокомпрессором, рекуперирующим энергию отходов рабочего тела для наддува компрессора.
Вариант 1. (Фиг.1). Двигатель содержит: компрессор низкого давления 1; воздухоохладитель 2; компрессор высокого давления 3; внешнюю камеру сгорания 4; топливный насос 5; топливоподводящий канал 6; парогенератор 8; парогазовый канал 9; преобразователь 10, состоящий из цилиндра 11, изобарной камеры 12, поршней 13, 14, межцилиндрового канала 15, адиабатного цилиндра 16 и адиабатной камеры 17; жидкостную систему внешнего охлаждения 18; теплоизоляционную рубашку 19; парогазоотводящие каналы 20; конденсатор 21; конденсатный канал 22; канал охлаждающей жидкости 23; парогазовую форсунку 24; гидронасос 25; газовый канал 26; гидрофорсунку 27; газовый канал 28 и воздухоподводящие каналы 29.
Вариант 2. (Фиг.2). Адиабатный преобразователь содержит: парогенератор 8, парогазовый канал 9, адиабатную камеру 17, теплоизоляционную рубашку 19, парогазоотводящий канал 20, парогазовую форсунку 24, преобразователь 30, фальшцилиндр 31, фальшпоршень 32, цилиндр 33, поршень 34, потребитель пара 35, паропровод 36 и газовую камеру 37.
Вариант 3. (Фиг.3). Роторный преобразователь содержит: парогазовый канал 8, жидкостную систему внешнего охлаждения 18, теплоизоляционную рубашку 19, парогазоотводящий канал 20, парогазовую форсунку 24, корпус 41, ротор 42, поршни 43, 49, впускное окно 44, выпускное окно 45, наклонную шайбу 46, вал отбора мощности 47 и опоры 48.
Вариант 4. (Фиг.4). Роторный преобразователь содержит: парогазовые каналы 9, жидкостную систему внешнего охлаждения 18, теплоизоляционную рубашку 19, парогазоотводящие каналы 20, парогазовые форсунки 24, впускные окна 44, выпускные окна 45, эпитрохоидальный цилиндр 51, трехгранный ротор-поршень 52 с зубчатым колесом 53, вал 54, шестерню 55, рабочие камеры 56 и выпускные камеры 57.
Вариант 5. (Фиг.5). Двигатель содержит: компрессор высокого давления 3, внешнюю камеру сгорания 4, топливный насос 5, топливоподводящий канал 6, топливную форсунку 7, парогенератор 8, парогазовый канал 9, жидкостную систему внешнего охлаждения 18, теплоизоляционную рубашку 19, парогазоотводящие каналы 20, конденсатор 21, конденсатный канал 22, канал охлаждающей жидкости 23, парогазовую форсунку 24, гидронасос 25, гидроканал 26, гидрофорсунку 27, газовый канал 28, воздухоподводящие каналы 29, турбокомпрессор 60, турбину 61, компрессор 62, топливоподводящий канал 63, выпускные окна 64, цилиндр 65, преобразователь 66, поршень 67, картер преобразователя 68, катрер компрессора 69, гидроканал 70, блок двигателя 71, бак с охлаждающей жидкостью 72, форсунку 73 и канал продувочного воздуха 74.
Двигатель работает следующим образом.
Вариант 1. (Фиг.1). Компрессор низкого давления 1 нагнетает воздух по воздухоподводящим каналам 29 в воздухоохладитель 2 и далее в компрессор высокого давления 3. Интенсивное охлаждение воздухоохладителем 2 сжимаемого воздуха уменьшает работу компрессора низкого давления 1, что приближает термодинамический процесс в нем к изотермическому и соответствует первой ступени сжатия в цикле "Карно". Компрессор высокого давления 3 сжимает и нагнетает его во внешнюю камеру сгорания 4, например конечным давлением 9,6 МПа. При сжатии температура воздуха поднимается до 800 градусов по Кельвину. Давление и температура может быть больше и меньше. Это зависит от конструкции и желания оператора двигателя. Компрессор высокого давления 3 защищен от выхолаживания теплоизоляционной рубашкой. Термодинамический процесс сжатия компрессором 3 является адиабатным и соответствует второй ступени сжатия в цикле "Карно". В некоторых конструкциях компрессоров высокого давления 3 неизбежно охлаждение цилиндропоршневой группы. Это охлаждение организовано так же, как и в преобразователях. Т.е. вода жидкостной системы внешнего охлаждения 18 омывает компрессор высокого давления 3, но под теплоизоляционной рубашкой 19 (см. вариант 5), которая предотвращает выхолаживание тепла в атмосферу. Следовательно, в конечном итоге все тепло преобразуется в работу. Ввод водяной рубашки не изменяет кпд, т.к. она входит в состав жидкостной системы внешнего охлаждения 18. Термодинамический процесс и в этом случае является адиабатным.
Топливный насос 5 нагнетает топливо во внешнюю камеру сгорания 4 из топливного бака "Т" по топливопроводящему каналу 6, где оно смешивается с горячим воздухом, самовоспламеняется и сгорает. Температура сгорания в факеле около 3250 К. Она зависит от марки топлива и температуры сжатого воздуха. Оператор изменяет подачу топлива с помощью топливной форсунки 7. Время сгорания и догорания топлива во внешней камере сгорания 4 и парогенераторе 8 составляет более 100 циклов преобразователя 10, что обеспечивает полное сгорание топлива при номинальном коэффициенте избытка воздуха, следовательно, - наиболее экономный расход топлива или высокий кпд двигателя. Продукты сгорания перетекают из внешней камеры сгорания 4 в парогенератор 8 при температуре около 3000 К. Такая температура недопустима. Потому снаружи внешняя камера сгорания 4 охлаждается водой. Вода нагревается и превращается в пар, который смешивается с продуктами сгорания и охлаждает их изнутри в парогенераторе 8, для чего гидронасос 25 нагнетает воду по гидроканалу 26, через управляемую гидрофорсунку 27 на горячие поверхности деталей. С целью использования тепла, вода берется из жидкостной системы внешнего охлаждения 18 по каналу охлаждающей жидкости 23. Температуры пара и продуктов сгорания выравниваются. Образуется парогазовое рабочее тело с температурой 1500-730 градусов по Цельсию. При подаче больше или меньше охлаждающей воды в парогенератор 8, управляемый гидрофорсункой 27, поддерживается такая температура парогазового рабочего тела, которая обеспечивает максимальный кпд двигателя и предотвращает его перегрев. Чем выше температура в парогенераторе 8, тем выше кпд но тем сложнее обеспечить термостойкость парогазовой форсунки 24 и других деталей двигателя. Однако температура в 1000ºС уже соответствует кпд двигателя в 61%, что обеспечивается большим объемом пара. Вода и пар нежелательны для металла, но они позволяют сократить расход топлива в 1,5-2 раза и улучшить экологические условия минимум в два раза, в том числе и шумовые. Гашение шума в традиционных условиях требует затрат энергии до 3% от кпд двигателя. Расход рабочего тела преобразователем 10 в двигателе с внешней камерой сгорания зависит не только от геометрических размеров его цилиндров, но и от частоты вращения приводного вала. Следовательно, быстроходность преобразователя 10 может быть снижена в два раза и более, что повышает его долговечность, а давление рабочего тела на выходе в холодильник - до атмосферного, что значительно снизит его температуру и повысит кпд. Радиатор и вентилятор не потребуются. Охлаждение продуктов сгорания водяным паром изнутри решает эту задачу. Объем парогенератора 8 составляет 100 и более циклов объемов преобразователя 10. Это обеспечивает минимальные цикловые колебания рабочего тела в нем около 1% и хорошие условия догорания топлива, что также повышает кпд двигателя. Организованное таким образом парогазовое рабочее тело подается в преобразователь 10 по парогазовому каналу 9 через парогазовую форсунку 24. Преобразователь в предложенном двигателе может иметь различные исполнения. Цилиндропоршневой парнокамерный 10 (фиг.1), где первая камера изобарная. Цилиндропоршневой адиабатный (фиг.2). Цилиндропоршневой роторный с аксиальными поршнями (фиг.3). Цилиндропоршневой с трехгранным ротором, обкатывающимся по эпитрохоидальному цилиндру и совершающему шесть рабочих циклов за один оборот (фиг.4). Цилиндропоршневой бесклапанный с выпускными окнами (фиг.5) и другие. При этом двигатель может быть снабжен любым типом компрессора, в том числе поршневым, роторным, турбинным и др. Главное требования, предъявляемые к компрессору: высокая степень сжатия при высоком кпд. Наиболее эффективным компрессором в двигателе с внешней камерой сгорания является компрессор с непрерывной подачей воздуха. Он в паре с топливным насосом непрерывной подачи топлива, например турбинный компрессор с шестеренчатым насосом, обеспечивают непрерывное горение топлива, что увеличивает количество тепла от сгорания топлива и кпд двигателя. Давление рабочего тела в парогенераторе 8, равное 9,6 МПа, соответствует минимальному расходу топлива, отнесенному к мощности. Рабочее тело подается из парогенератора 8 в преобразователь 10 по парогазовому каналу 9 через парогазовую форсунку 24. Рабочий ход поршня 13 осуществляется при постоянном подводе рабочего тела внутрь изобарной камеры 12 на всем протяжении цилиндра 11 от верхней мертвой точки до нижней. Межцилиндровый канал 15 заперт. Давление и температура рабочего тела в изобарном цилиндре 11, практически, соответствует давлению и температуре в парогенераторе 8. Таким образом, термодинамический процесс в цилиндре 11 осуществляется изобарически и изотермически. Тепло, отводимое стенками цилиндра 11 жидкостной системе внешнего охлаждения 18, не теряется. Оно возвращается с водой по каналу охлаждающей жидкости 23 гидронасосу 25. Он переносит его по гидроканалу 26 в парогенератор 8, где это тепло рекупирируется в парообразное рабочее тело. кпд двигателя возрастает. Термодинамический процесс в изобарном цилиндре 11 соответствует первой ступени расширения в цикле «Карно». При рабочем ходе поршня 13 вниз поршень 14 поднимается вверх и выталкивает рабочее тело из адиабатной камеры 17 по открытому парогазоотводящему каналу 20 в конденсатор 21. При обратном ходе поршней 13 и 14 парогазовая форсунка 24 и парогазоотводящий канал 20 заперты, а межцилиндровый канал 15 открыт. Этот термодинамический процесс происходит при расширении рабочего тела одновременно в изобарной камере 12 и адиабатной камере 17. Давления рабочего тела в них выравниваются, а работа поршня 14 осуществляется за счет разности площадей поршней 13 и 14. В нижней мертвой точке рабочий ход поршня 14 заканчивается. Межцилиндровый канал 15 запирается, а парогазовая форсунка 24 и парогазоотводящий канал 20 открываются, цикл повторяется. Термодинамический процесс в адиабатной камере 17 приравнен к адиабатному процессу потому, что тепло, переданное жидкостной системе внешнего охлаждения 18 стенками преобразователя 10, используется, рекуперируется рабочим телом в парогенераторе 8. Этот термодинамический процесс соответствует второму такту расширения в цикле "Карно". Преобразователь 10 работает мягко. Нагрузка на коленчатый вал поршнем 13 постоянна на всем пути от верхней до нижней мертвых точек, а поршнем 14 - снижается от максимальной до минимальной величины на протяжении от верхней до нижней мертвых точек. Эта величина зависит от разности площадей поршней 13 и 14 и давления рабочего тела в изобарной камере 12 и адиабатной камере 17. Для двигателя, защищенного от выхолаживания теплоизоляционной рубашкой 19 и работающего на низкотемпературном рабочем теле (1000 К … 1800 К) от ресивера (парогенератор 8), характерно то, что практически все тепло, произведенное во внешней камере сгорания 4, преобразуется в работу. Это обуславливает ему максимальный кпд. Кроме того, парогазовое рабочее тело высокоэкологично, предотвращает нагар и смолистые отложения в трущихся парах. Масла и цилиндры имеющие низкую температуру, долговечнее горячих масел и цилиндров. Применимо любое жидкое топливо, причем без переналадки системы питания. Применение большого количества воды, четыре литра а один литр топлива, сокращает в 1,5…2 раза расход топлива. Применение конденсаторов практически исключает потерю воды.
Вариант 2. (Фиг.2). Работа адиабатного преобразователя 30. Рабочее тело, например продукты сгорания, подводится из газовой камеры 37 по парогазовому каналу 9 к парогазовой форсунке 24. При положении фальшпоршня 32 в ВМТ, парогазовая форсунка 24 нагнетает порцию рабочего тела в адиабатную камеру 17 и запирается. Процесс нагнетания изотермический, изобарический, т.к. наполнение фальшцилиндра 31 рабочим телом осуществляется при постоянной температуре и постоянном давлении, что соответствует первому такту расширения в цикле «Карно». Цикловая подача рабочего тела регулируется парогазовой форсункой 24. После ее завершения форсунка 24 запирается. Рабочее тело адиабатически расширяется. Поршень 34 опускается к НМТ вместе с фальшпоршнем 32. В конце рабочего хода открывается парогазоотводящий канал 20. Через этот канал фальшпоршень 32 совместно с поршнем 34, при ходе к ВМТ, вытесняют отработанные продукты сгорания из фальшцилиндра 31. Затем цикл повторяется. Т.к. фальшцилиндр 31 защищен от выхолаживания теплоизоляционной рубашкой 19, а фальшпоршень 32 имеет низкую теплопроводность и не контактирует не с фальшцилиндром 31 и не с цилиндром 33, то этот термодинамический процесс является адиабатным и соответствует второму такту расширения в цикле «Карно». Диаметр фальшпоршня 32 несколько меньше диаметров цилиндра 33 и фальшцилиндра 31, что образует тепловой зазор 38. Объем горячего газа в тепловом зазоре 38 составляет менее 0,4 объема газа в фальшцилиндре 31. Фальшпоршень 32 имеет низкую теплопроводность. Следовательно, цилиндр 33 имеет низкую температуру и не требует жидкостного охлаждения, что значительно упрощает и удешевляет конструкцию двигателя. Кроме того, парообразное рабочее тело из парогенератора 8 по паропроводу 36 обеспечивает паром потребителя 35, которым может быть турбокомпрессор.
Вариант 3. (Фиг.3). Роторный преобразователь работает следующим образом. Через парогазовый канал 9 и парогазовую форсунку 24 подается во впускное окно 44 ротора 42 парогазовое рабочее тело, которое давит на поршень 43. Поршень 43 через подвижную опору 48 давят на неподвижную наклонную шайбу 46, скользят по ней вниз и поворачивается вместе с ротором 42 и валом 47 в неподвижном корпусе 41. Преобразователь имеет много поршней 43, которые производят работу, и столько же поршней 49, которые поднимаются вверх и освобождают выпускные окна 45 от использованного рабочего тела по парогазоотводящему каналу 20. В процессе работы они меняются ролями. Чем больше порциальная подача рабочего тела через парогазовую форсунку 24 во впускное окно 44, тем больше мощность преобразователя. Его недостатком является жидкостная система внешнего охлаждения 18 и недостаточная долговечность трущихся опор 48. Однако роторный преобразователь конструктивно прост. Он имеет наименьшую удельную массу. В нем отсутствуют управляемые клапаны. Вращение ротора 42 реверсивное. Он защищен от выхолаживания термоизоляционной рубашкой 19. Тепло жидкостной системы внешнего охлаждения 18 рекуперируется в парогенераторе 8. Термодинамический цикл этого варианта двигателя соответствует циклу «Карно». Расчетный кпд при давлении 9,6 МПа и температуре 1000 К - 61%.
Вариант 4. (Фиг.4). Работа двигателя, преобразователь которого выполнен в виде трехгранного ротора-поршня 52, установленного подвижно на эксцентричном приводном валу 54 и обкатывающегося своим зубчатым колесом 53 вокруг неподвижной шестерни 55. Трехгранный ротор-поршень 52 разделяет своими гранями эпитрохоидальный цилиндр 51 на рабочие камеры 56 и выпускные камеры 57. При этом рабочие камеры 56 соединены с входными окнами 44, через которые парогазовые форсунки 24 нагнетают очередные порции рабочего тела, приготовленного в парогенераторе 8 (см. вариант 1) и подведенного по парогазовым каналам 9. Рабочее тело давит на поверхность поршня 52, замыкающую рабочую камеру 56 и смещенную относительно приводного вала 54 вверх налево. Трехгранный ротор-поршень 52 поворачивается по стрелке влево, обкатывается зубчатым колесом 53 по шестерне 55 и поворачивает жестко сцепленные между собой эксцентрик 58 с приводным валом 54. Одновременно выпускается отработанное рабочее тело из выпускных камер 57 через выходные окна 45 по парогазовым выходящим каналам 20 в холодильник. За полный поворот трехгранный ротор-поршень 52 производит шесть рабочих тактов, по два на каждую грань, что обеспечивает этому преобразователю высокую удельную мощность. Преобразователь двухтактный, бесклапанный, его термодинамические процессы приближены к аналогичным в цикле «Карно», т.к. тепло жидкостной системы внешнего охлаждения 18 рекуперируется в парогенераторе 8. Устройства жидкостной системы внешнего охлаждения 18 и теплоизоляционной рубашки 19 аналогичны варианту 1.
Вариант 5. (Фиг.5). Работа двигателя. Компрессор высокого давления 3 сжимает атмосферный воздух до давления, например, 9,6 МПа и нагнетает его по воздухоподводящему каналу 29 во внешнюю камеру сгорания 4, при этом воздух нагревается до температуры более 800 К. Топливный насос 5 по топливному каналу 6 через форсунку 7 туда же нагнетает топливо. Оно смешивается со сжатым воздухом, самовоспламеняется и сгорает при температуре около 3250 К. Продукты сгорания вытекают из внешней камеры сгорания 4 в парогенератор 8 по газовому каналу 28. Гидронасос 25 нагнетает в парогенератор 8 по гидроканалу 26 через гидрофорсунку 27 воду. Она охлаждает снаружи стенки внешней камеры сгорания 4, нагревается сама и превращается в пар. Пар смешивается с продуктами сгорания, охлаждает их до температуры 1000…1800 К, по желанию оператора двигателя. В парогенераторе 8 образуется парогазовое рабочее тело. Где оно накапливается в количестве 100 и более цикловых объемов преобразователя. Температура рабочего тела в парогенераторе 8 регулируется количеством поданной в него воды гидрофорсункой 27, а давление - количеством поданного в него топлива топливной форсункой 7 в пределах - по желанию оператора двигателя. Двигатель по варианту 5 может работать в различных вариантах.
5.1. Работа двигателя без применения воды в парогенераторе 8, т.е. в режиме ДВС. Для этого перед остановкой двигателя необходимо следующее. Топливная форсунка 7 и гидронасос 25 должны быть отключены. Топливо подведено к форсунке 73 через топливный канал 63. внешняя камера сгорания 4 и парогенератор 8 очищены от пара и заполнены сжатым воздухом с давлением не менее 4 МПа, подведенным из компрессора высокого давления 3 по воздухоподводящему каналу 29. Парогенератор 8 соединен парогазовым каналом 9 с парогазовой форсункой 24.
Работа. Открываются форсунки парогазовая 24 и топливная 73 и через них вводятся в цилиндр 65 порции сжатого воздуха и топлива. Форсунки закрываются. Топливо поджигается от смеси зажигания (не показано) и сгорает. Поршень 67 перемещается вниз. Происходит такт расширения. Вблизи НМТ поршень 67 открывает выпускные окна 64 и выпускает продукты сгорания из цилиндра 65, а парогазовая форсунка 24 открывается и нагнетает в цилиндр 65 новую порцию сжатого воздуха. Производится продувка цилиндра 65 от остатков продуктов сгорания и наполнение его свежим воздухом. Парогазовая форсунка 24 закрывается. Поршень 67 поднимается вверх и отсекает окна 64. Происходит такт сжатия воздуха в цилиндре 65. Около ВМТ опять открываются обе форсунки - парогазовая 24 и топливная 73. Вводятся следующие порции сжатого воздуха и топлива в цилиндр 65. Цикл повторяется. При этом осуществляется прямоточная продувка и хорошее наполнение цилиндра 65 сжатым воздухом из компрессора высокого давления 3 и нагнетание отработавших продуктов сгорания в турбину 61 по парогазоотводящему каналу 20. Это обеспечивает стабильную работу бесклапанного преобразователя 66 в сухом режиме.
5.2. Бесклапанный преобразователь 66 с выпускными окнами 64 может работать, используя одновременно два источника тепловой энергии, в том числе: рабочее тело продуктов сгорания внутренней камеры сгорания цилиндра 65 - плюс рабочее тело продуктов сгорания газовой камеры 37 (см. фиг.2); или - плюс парообразное рабочее тело изолированного от газовой камеры 37 парогенератора 8.
5.3. Бесклапанный преобразователь 66 с выпускными окнами 64 наиболее эффективно работает по циклу двухтактного дизеля (5.1), но с применением парогазового рабочего тела, вырабатываемого в парогенератое 8 и нагнетаемого из него через парогазовый канал 9 и форсунку 24 в цилиндр 65 в начале рабочего хода поршня 67. Цикловое количество парогазового рабочего тела определяется оператором двигателя и регулируется форсункой 24. При этом продувка цилиндра 65 осуществляется воздухом, сжатым компрессором 62 и подведенным по каналу 74 через окна 64. Затем поршень 67 производит такт сжатия. В начале такта расширения открываются форсунки: парогазовая 24 и топливная 73. Вводятся через них порция топлива и порция парогазового рабочего тела, имеющего температуру более 1000 К. Топливо смешивается со сжатым воздухом и самовозгорается. Продукты сгорания в цилиндре 65 образуют совместно с парогазовым рабочим телом, введенным из парогенератора 8, удвоенный его объем при высоком давлении, близком к давлению в парогенераторе и умеренной температуре. Этот вариант двигателя имеет наибольшую мощность. Достоинством двигателей, снабженных турбокомпрессором 60 и конденсатором 21 является то, что парогазовое рабочее тело помле турбины 61 подвергается конденсации в конденсаторе 21, откуда вода возвращается по конденсатному каналу 22 в жидкостную систему внешнего охлаждения 18; практически все тепло жидкостной системы внешнего охлаждения 18 рекуперируется в парогенераторе 8; цилиндр 65 и поршень 67 работают при низких температурах, т.е. они долговечны; кпд высокий, так как такт предварительного расширения или нагнетания рабочего тела в цилиндр 65 осуществляется изотермически и изобарически, а такт расширения - адиабатически, что соответствует тактам расширения в цикле «Карно».
5.4. Бесклапанный преобразователь 66 с выпускными окнами 64, работающий на продуктах сгорания, произведенных в собственной камере сгорания цилиндра 65, не требует специальных кислотоупорных сталей. Ему также не потребуются кислотоупорные стали, если вторым рабочим телом будут продукты сгорания, произведенные во внешней камере сгорания 4. При этом пар может быть использован в качестве рабочего тела для турбокомпрессора, см. фиг.2, поз.35.
5.5. Существует еще много вариантов исполнения парогазового двигателя, в том числе с клапанным распределением рабочего тела, с четырехтактными преобразователями и многие другие варианты.
Недостатком парогазового двигателя являются применение большого количества воды. Но она заменяет половину топлива! Применение конденсатора и/или влагоотделителя обеспечивает многократное использование воды. Вторым недостатком является теплоизоляционная рубашка. Но она недорогая. Очевидно, что после испытания двигателя она останется только на парогенераторе., т.к. низкая температура рабочего тела снизит среднюю температуру преобразователей в 2…3 раза.
Достоинства предлагаемых вариантов парогазового двигателя состоят в следующем: термический кпд более 60% при максимальной температуре рабочего тела 1000ºС.
Расход топлива в 1,5 раза меньше, чем у дизеля и в 2 раза меньше, чем у бензинового двигателя, за счет применения около четырех литров воды на один литр топлива.
Применимо любое жидкое топливо, причем без переналадки системы питания.
Мощность более чем в два раза выше за счет высокого кпд, применения роторных преобразователей и за счет полноценной двухтактной работы цилиндров, ибо их рабочий ход продлен до 180 градусов, а в цилиндрах с продувочными окнами - до 160 градусов, за счет продувки высоким давлением воздуха.
На 30% сокращается расход масла, за счет исключения загрязнения масла газом в компрессоре и за счет сокращения в два раза количества рабочих цилиндров в преобразователе.
Не требуют холостых оборотов роторные и другие многоцилиндровые двигатели, т.к. запускаются рабочим телом, накопленным в ресивере-парогенераторе.
Используют глубокое расширение парогазового рабочего тела.
Являются хорошей лабораторией для сравнительных испытаний различных типов преобразователей.
Конструктивно не сложны, ибо упразднено больше и более сложных узлов и деталей (клапаны, шестерни, распредвал, стартер, вентилятор, аккумулятор, пусковой двигатель, мощный электрогенератор и др.), чем введено (парогенератор с внешней камерой сгорания, маломощный электрогенератор для освещения, электроуправляемые форсунки, теплоизоляция, конденсатор и бак для воды).
Система пуска пневматическая, а в многоцилиндровом и роторном двигателях не требуется.
Мгновенно набирают полную мощность. Т.к. среднее давление в цилиндрах преобразователей может быть равно максимальному давлению, например 9,6 МПа, в течение длительного времени. Это при продленном открытии парогазовой форсунки 24.
Не требуется коробка передач, т.к. крутящий момент сопоставим с максимальным крутящим моментом коробки передач равного по мощности двигателя, что обеспечивается наполнением цилиндров рабочим телом в течение всего рабочего такта. Или обеспечивается созданием давления 4,5 т.е. на поршне диаметром 80 мм (Жигули), на всем рабочем ходе. И много других достоинств.
Источники информации
1. Михайловский Е.В., Серебряков К.В., Автомобили. - М.: Машиностроение, 1968 г., с.70-74. Жидкостная система охлаждения, рис.58.
2. Теплотехника, под редакцией Крутова В.И. - М.: Машиностроение 1986 г., с.222, рис.5.3. 3. - Патент США, Н 4281626.