RU2003133066A - Способ работы теплового двигателя внутреннего сгорания мазаина и устройство для его осуществления - Google Patents

Claims (2)

1. Способ работы теплового двигателя внутреннего сгорания, включающий рабочий цикл, в том числе и бинарный, с одновременной последовательностью воплощения термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, с раздельным поступлением компонентов топливной смеси для внутреннего смесеобразования и их обработкой перед впуском, осуществлением внутреннего сгорания топливной смеси с непрерывным, смешанным или пульсирующим подводом теплоты в камере сгорания, в том числе с принудительным воспламенением от электрической искры или с впрыском легкого топлива, с продолженным расширением рабочих тел через объемные или лопаточные устройства с валами отбора мощности для совершения механической работы, включая вал для преодоления внешней нагрузки, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия и расширения функциональных возможностей теплового двигателя путем пространственно-временного разделения силовых энергетических потоков и совершенствования функциональных систем теплового двигателя для интенсификации тепловыделения с самоустанавливающимся смесеобразованием при внешней нагрузке, в тепловом двигателе дублируют работу раздельных индивидуальных функциональных систем сжатия, подвода теплоты и расширения, соединенных между собой как последовательно, так и параллельно при осуществлении термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, растягивают по времени независимое от внешней нагрузки одновременное осуществление термодинамических процессов, разделяя механическую работу на собственные потребности теплового двигателя и на преодоление внешней нагрузки, обеспечивают устойчивую, надежную, безотказную и экономную работу теплового двигателя, при работе утилизируют тепловые потери двигателя компонентами топливной смеси, причем в бинарном рабочем цикле теплового двигателя применяют основные и дополнительные компоненты топливной смеси, например, моторное топливо и воздух, а также перекись водорода, воду или антифриз, которые подают в процессе сжатия насосами и компрессорами по магистралям функциональных систем двигателя через последовательный ряд обратных клапанов в теплообменные отсеки, где запасают компоненты топливной смеси, постоянно их восполняют во время работы и подготавливают теплообменными процессами к внутреннему смесеобразованию, в том числе в ресивере запасают, нагревают, ионизируют и озонируют сжатый воздух, затем упреждают процесс подвода теплоты в газораспределительном механизме камеры сгорания, совмещают его с завершением процесса сжатия и интенсифицируют процесс гомогенизации топливной смеси (топлива и воздуха), для чего применяют электротермическую обработку сжатого озонированного воздуха и жидкого топлива в газораспределительном механизме, так как дополнительно подводят теплоту фазового превращения и осуществляют с жидким топливом фазовый переход первого рода, при этом возбуждают атомарно-молекулярную активность и повышают реакционную способность компонентов топливной смеси, а завершают процесс сжатия внутренним смесеобразованием с образованием топливного заряда в камере сгорания, для чего открывают частично или полностью жиклеры плавающего поршня приводом управления газораспределительного механизма, пересекают избыточными давлениями газообразные потоки топлива и воздуха в камере сгорания и образуют вихревую топку с самовоспламенением гомогенной турбулентной топливной смеси, причем в процессе подвода теплоты внутреннего сгорания в камере сгорания дублируют воспламенение и поддерживают горение топливной смеси электрическими разрядами, а также дополнительно окисляют топливную смесь перекисью водорода, чем обеспечивают надежное полное высокоскоростное сгорание топливной смеси и необходимое тепловыделение в камере сгорания, которое осуществляют как после, так и во время внутреннего смесеобразования с частотой колебательных возвратно-поступательных перемещений плавающего поршня при избыточных давлениях процессов сжатия, которые сличают через плавающий поршень с давлениями процессов подвода теплоты и расширения бинарных рабочих тел в камере сгорания перед последующим смесеобразованием, при этом часть тепла используют для подготовки компонентов топливной смеси, в том числе в камере сгорания с комбинированным расширительным соплом подводят теплоту внешнего сгорания и постепенно нагревают воду, применяемую в незамкнутой системе охлаждения двигателя, совмещают процесс расширения рабочих тел с процессом подвода внешней теплоты и превращают в парогенераторе нагретую воду в перегретый пар, перемешивают в комбинированном расширительном сопле перегретый пар с ускоренно истекающим газовым потоком в процессе расширения рабочих тел, создают комбинированный бинарный парогазовый поток, тангенциально направленным суммарным импульсом сил которого воздействуют на трехвальный поршневой ротор, где преобразуют в механическую работу бинарный цикл больших давлений рабочих тел в малых герметичных объемах расширения и малые давление рабочих тел в больших негерметичных объемах расширения, причем при равенстве теплового и механического баланса двигателя ускоренным вращением вала тягового роторного колеса включают обгонные муфты и обеспечивают синхронное вращение валов роторных колес, через которые распределяют механическую работу на собственные потребности модулей сжатия и на преодоление внешней нагрузки двигателя, а при увеличении внешней нагрузки перераспределяют асинхронное вращение роторных колес, замедленным вращением вала тягового роторного колеса и (или) ускоренным вращением валов компрессорных роторных колес выключают обгонные муфты, причем корректируют нарушенный тепловой и механический баланс двигателя ускоренным вращением валов компрессорных роторных колес и увеличивают поступление компонентов топливной смеси через групповой привод механической передачи, восполняют собственные потребности двигателя и восстанавливают его устойчивую работу, таким образом, образуют самонастраивающийся комбинированный бинарный рабочий цикл двигателя, в котором осуществляют как внутренний, так и внешний подвод теплоты для нагрева бинарных рабочих тел с одновременной последовательностью воплощения термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, где сравнивают по положению плавающего поршня влияние внешней нагрузки с установленным уровнем смесеобразования и тепловыделения, сочетают их и совмещают с непрерывным или смешанным или пульсирующим подводом теплоты в камере сгорания, чем и обеспечивают в автоматическом режиме устойчивую работу теплового двигателя, самоприспосабливающегося к изменению внешней нагрузки с самоустанавливающимся перераспределением установленного смесеобразования в расширенном диапазоне внешних скоростных характеристик двигателя, а в системе управления “человек-машина” ручным режимом работы изменяют установленное смесеобразование, корректируя подачу компонентов топливной смеси через привод управления газораспределительного механизма, в частности их основной тепловыделяющей части (топлива и воздуха), и обеспечивают тепловыделение в камере сгорания, необходимое и достаточное для экономного выполнения двигателем механической работы или по усмотрению человека при определенных режимах работы теплового двигателя включают или отключают как частично, так и полностью, отдельные агрегаты теплового двигателя, например камеры сгорания, изменяют при этом мощность теплового двигателя, поддерживая тепловой и механический баланс в оптимальном диапазоне внешних скоростных характеристик теплового двигателя, обеспечивают его устойчивую работу.

2. Устройство теплового двигателя внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием, подводом теплоты и продолженным расширением рабочих тел, содержащее корпус, размещенные в нем топливные и воздушные фильтры, насосы, компрессоры, стартеры, генераторы, газораспределительные механизмы и регулирующие устройства, камеры сгорания и объемные или лопаточные преобразующие силовые устройства с валами отбора мощности для совершения механической работы, включая вал для преодоления внешней нагрузки, отличающееся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия и расширения функциональных возможностей работы теплового двигателя в тепловой двигатель введены функционально самостоятельные боковые модули сжатия и центральный модуль расширения с тепловыми модулями, тепловой двигатель создан модульным соединением, его индивидуальные магистрали сжатия и расширения скрытно выполнены в модулях, соединены между собой как последовательно, так и параллельно, и окончательно сформированы тепловыми модулями, причем в модуль сжатия введены элементы, осуществляющие термодинамические процессы сжатия, а в модуль расширения введены элементы, осуществляющие термодинамические процессы внутреннего и внешнего подвода теплоты и расширения рабочих тел в бинарном рабочем цикле теплового двигателя, при этом модуль сжатия, закрытый кожухом, собран на основании, где установлены фильтры, роторные насосы, роторно-поршневые компрессоры, стартеры, генераторы и их валы пропущены через основание, в котором установлен групповой привод механической передачи, обеспечивающий кинематическое соединение валов между модулями сжатия и расширения, а в основании выполнены открытые раздельные магистральные каналы сжатия функциональных систем впуска двигателя, куда установлены обратные клапаны для направленной подачи компонентов топливной смеси в модуль расширения, и через основание пропущены эжекторные трубки, соединенные с воздушным фильтром для удаления пыли, а модуль расширения собран в корпусе, который соединен из двух боковых корпусных стенок, выполненных с теплообменными ребрами жесткости, разнообразными монтажными элементами и открытыми нераздельными каналами магистралей сжатия и расширения, в корпусе боковыми стенками сформирована конфигурация единой магистрали сжатия и расширения, а также разнообразные теплообменники, патрубки, фланцы и другие монтажные элементы, выпускные отверстия, центральный монтажно-теплообменный отсек и направляющие отверстия магистралей расширения соединены с периферийно размещенными монтажно-теплообменными отсеками магистралей сжатия, причем в каждом большом монтажно-теплообменном отсеке сформирован патрубок с крепежным фланцем, а внутри патрубка сформированы малые монтажно-теплообменные отсеки и в магистралях сжатия установлены обратные клапаны для направленной односторонней подачи компонентов топливной смеси в тепловые модули, а в центральный монтажно-теплообменный отсек введен трехвальный поршневой ротор, установленный между боковыми корпусными стенками, в трехвальный поршневой ротор введены боковые компрессорные поршневые роторные колеса, выполненные с односторонними пустотелыми валами отбора мощности для обеспечения собственных потребностей двигателя через кинематические соединения с групповыми приводами механических передач в модулях сжатия, а центральное тяговое поршневое роторное колесо выполнено с двухсторонним валом отбора мощности, который для преодоления внешней нагрузки теплового двигателя пропущен через модули сжатия, таким образом, валы роторных колес, установленные в подшипниках с размещенными между валами обгонными муфтами, собраны по принципу “вал в валу” с обеих сторон центрального тягового роторного колеса, а роторные колеса, образующие боковыми поверхностями лабиринтные уплотнения в центральном монтажно-теплообменном отсеке, выполнены с равномерно распределенными по окружности внутренними поршневыми лопастями, обеспечивающими герметичное плотное скольжение по внутренней цилиндрической поверхности центрального монтажно-теплообменного отсека для превращения каждой поршневой лопастью в механическую работу больших давлений рабочих тел в малых объемах расширения в зонах соединения с направляющими отверстиями магистралей расширения, а для превращения поршневыми лопастями в механическую работу малых давлений рабочих тел в больших объемах расширения в центральный монтажно-теплообменный отсек введены постепенно расширяющиеся каналы, плавно превращающие внутреннюю цилиндрическую поверхность в ребристо-цилиндрическую полость центрального монтажно-теплообменного отсека и выпускные отверстия магистралей расширения, куда выведены эжекторные трубки для удаления пыли из воздушных фильтров модулей сжатия и введены капиллярные теплообменники для утилизации тепловых потерь выхлопных газов и снижения их шумов, а в монтажно-теплообменные отсеки магистралей сжатия и направляющие отверстия магистралей расширения введены тепловые модули, осуществляющие при внутреннем смесеобразовании термодинамические процессы внутреннего и внешнего подвода теплоты и расширения рабочих тел в бинарном рабочем цикле теплового двигателя, для чего в тепловой модуль введены газораспределительный механизм, секционный теплообменник и парогенератор, из которых в корпусной конусно-цилиндрической оболочке теплового модуля образована камера сгорания с комбинированным расширительным соплом и сформированы раздельные магистрали сжатия и расширения, образовавшиеся в результате взаимосвязанного соединения разнообразных жиклеров, осевых и радиальных каналов, выполненных в корпусной конусно-цилиндрической оболочке, конусообразной оболочке расширительного сопла, ребристо-канальном куполе испарителя, теплообменной оболочке камеры сгорания и газораспределительном механизме, которые последовательно установлены и соединены внутри корпусной конусно-цилиндрической оболочки теплового модуля, при этом парогенератор создан внутри корпусной конусно-цилиндрической оболочки, где конусообразной оболочкой расширительного сопла и ребристо-канальным куполом испарителя сформировано комбинированное расширительное сопло, и выполнен как газотрубный котел, охватывающий расширяющуюся и сужающуюся внешнюю часть расширительного сопла, тогда как внутренняя часть расширительного сопла, начинающая магистраль расширения, соединена через сквозное отверстие ребристо-канального купола испарителя с камерой сгорания, которая сформирована ребристо-канальным куполом испарителя, секционным теплообменником и совмещена с газораспределительным механизмом, завершающим ее формирование, а секционный теплообменник камеры сгорания создан теплообменной оболочкой камеры сгорания внутри корпусной конусно-цилиндрической оболочки и сформирован с теплообменными отсеками, которые через магистрали сжатия соединены с парогенератором (для воды), камерой сгорания (для окислителя) и газораспределительным механизмом (для топлива), а в газораспределительный механизм введены плавающий поршень, топливный преобразователь, регулировочный клапан и предохранительный клапан, при этом плавающий поршень, завершая формирование камеры сгорания и магистралей сжатия функциональных систем впуска воздуха, топлива и дополнительного окислителя, выполнен с отсеками, кольцевыми, осевыми и радиальными каналами, топливными и воздушными жиклерами для внутреннего смесеобразования в камере сгорания, помещен в секционный теплообменник, перекрывая его окислительные жиклеры, и прижат пружиной, зафиксированной гайкой в корпусной оболочке камеры сгорания, в отсеки плавающего поршня ввернуты свечи зажигания, установлены обратные клапаны автоматической подачи воздуха и введен топливный преобразователь, который выполнен с теплообменным отсеком, кольцевыми, осевыми и радиальными каналами и топливными жиклерами, перекрытыми плавающим поршнем, топливный преобразователь совмещен с регулировочным клапаном, обеспечивающим поступление сжатого воздуха в корпусную конусно-цилиндрическую оболочку теплового модуля, и соединен с приводом управления работой двигателя, в теплообменные отсеки топливного преобразователя и корпусную конусно-цилиндрическую оболочку теплового модуля введены элементы электротермической обработки топлива и воздуха, установлен предохранительный клапан, сбрасывающий избыточное давления сжатого воздуха в газораспределительный механизм или магистраль расширения, каждый тепловой модуль вставлен в патрубок большого монтажно-теплообменного отсека, где его корпусная конусно-цилиндрическая оболочка цилиндрической частью введена в направляющее отверстие магистрали расширения, усеченно-коническими частями прижата к коническим стенкам монтажно-теплообменных отсеков и присоединена к фланцу патрубка крепежными элементами, а вне патрубка размещена в большом монтажно-теплообменном отсеке, при этом усеченно коническими частями в нераздельной магистрали сжатия сформированы раздельные, герметично замкнутые, монтажно-теплообменные отсеки магистралей сжатия, таким образом, в модуле расширения разграничена тепловыми модулями нераздельная конфигурация больших и малых монтажно-теплообменных отсеков и магистральных каналов сжатия, в том числе в каждом большом монтажно-теплообменном отсеке, герметично закрытом крышкой, создан ресивер, куда введен ионизатор для продолжительной ионизации сжатого воздуха, а каждым тепловым модулем выделены, сформированы и завершены индивидуальные магистрали сжатия и расширения функциональных систем двигателя, причем функциональные системы, обеспечивающие рабочий цикл двигателя, объединены, продублированы и выполнены с последовательными и параллельными соединениями, упрощая в тепловом двигателе одновременное и независимое от внешней нагрузки осуществление термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, при котором обеспечено приводом управления подключение отдельных агрегатов теплового двигателя, например камер сгорания, а также расширены функциональные возможности теплового двигателя, обеспечивающие при различных режимах эксплуатации его устойчивую работу.