RU2082895C1 - Method of operation of heat engine with external heat supply and engine for implementing this method - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines. SUBSTANCE: method comes to evaporative expansion of working medium at maximum pressure, superheating of vapor to maximum temperature, expansion of vapor with takeoff for operation and drop of pressure to minimum value, regenerative cooling of vapor, condensation compression into liquid with heat takeoff, raising the pressure of liquid and its regenerative heating. Expansion of vapor with takeoff for operation is carried out isothermally by delivering external heat. Evaporative expansion of medium and superheating of vapor is carried out by regenerative heating with maximum pressure raised to supercritical value. Heat engine has cylinder 1, piston 2, external heat source 3, main regenerator 4, outlet valve 5, check valve 6, low-pressure circuit of additional regenerator 7, cooler-condenser 8, transfer pump 9, high-pressure circuit 10 of additional regenerator, boiler 11, inlet valve 12, pressure regulator 13 and boiler auxiliary circuit 14. EFFECT: enlarged operating capabilities. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, к способам повышения КПД тепловых двигателей с внешним подводом тепла (внешнего сгорания). The invention relates to engine building, to methods for increasing the efficiency of heat engines with an external supply of heat (external combustion).

Известен способ работы теплового двигателя (ТД) по замкнутому газовому циклу Карно (Седов Л. И. Механика сплошной среды, М. Наука, 1970, т.1, с. 25-232). Он включает процессы изотермического сжатия с отводом тепла при минимальной температуре, адиабатное сжатие с повышением температуры от минимальной до максимальной, изотермическое расширение с отбором работы и подводом тепла при максимальной температуре и адиабатное расширение с понижением температуры от максимальной до минимальной. Термический КПД η_т этого способа предельно высок

где Т_х минимальная температура по шкале Кельвина (в холодильнике);
Т_н максимальная температура подвода тепла (в нагревателе).A known method of operation of a heat engine (TD) in a closed Carnot gas cycle (Sedov L.I. Continuum Mechanics, M. Nauka, 1970, v. 1, pp. 25-232). It includes isothermal compression processes with heat removal at a minimum temperature, adiabatic compression with an increase in temperature from minimum to maximum, isothermal expansion with selection of work and heat supply at maximum temperature, and adiabatic expansion with a decrease in temperature from maximum to minimum. The thermal efficiency η _{t of} this method is extremely high

where T _{x the} minimum temperature on the Kelvin scale (in the refrigerator);
T _{n the} maximum temperature of the heat input (in the heater).

Соответствующий двигатель можно представить себе в виде цилиндра с поршнем, содержащих замкнутый рабочий газ, горячего источника (горелки), холодильника и устройства для попеременного их подвода к цилиндру с приведением в состояние теплообмена на изотермических интервалах цикла. The corresponding engine can be imagined in the form of a cylinder with a piston, containing a closed working gas, a hot source (burner), a refrigerator and a device for alternately supplying them to the cylinder with bringing into a state of heat transfer at isothermal intervals of the cycle.

Однако, в чистом виде способ неосуществим. Чтобы приблизиться к нему в реальных конструкциях, нужно изотермические процессы проводить очень медленно, а адиабатные очень быстро. Кинематическая организация такого "рваного" ритма крайне затруднительна. Способ Карно требует для приемлемого перепада Т_н Т_х очень больших степеней сжатия и перепадов давления, не позволяющих избежать больших механических потерь. Принято считать, что способ не имеет перспективы целесообразного воплощения и служит лишь теоретическим эталоном для оценки совершенства других способов по достижимому η_т их цикла.However, in its pure form, the method is not feasible. To get closer to it in real constructions, isothermal processes need to be carried out very slowly, and adiabatic ones very quickly. The kinematic organization of such a "torn" rhythm is extremely difficult. The Carnot method requires for an acceptable differential T _n T _x very large degrees of compression and pressure drops that do not allow to avoid large mechanical losses. It is generally accepted that the method has no prospect of expedient implementation and serves only as a theoretical standard for assessing the perfection of other methods by the achievable η _{m of} their cycle.

Известен способ (авт. св. СССР N 1802193, кл. F 02 G 1/00, 15.03.93), который включает изотермическое сжатие газа с отводом тепла, адиабатное сжатие с повышением температуры, изобарное расширение с подводом тепла от внешнего источника и адиабатное расширение с понижением температуры и давления до исходных значений. Двигатель для осуществления такого цикла содержит основную цилиндропоршневую пару с отдельным источником высокотемпературного тепла (камерой внешнего сгорания), дополнительную цилиндропоршневую пару с холодильником, многоклапанную систему газораспределения и кинематическое устройство, обеспечивающее превышение угловой скорости хода вспомогательного поршня над основным. A known method (ed. St. USSR N 1802193, class F 02 G 1/00, 03/15/93), which includes isothermal compression of the gas with heat removal, adiabatic compression with increasing temperature, isobaric expansion with the supply of heat from an external source and adiabatic expansion with lowering temperature and pressure to the original values. An engine for carrying out such a cycle contains a main cylinder-piston pair with a separate source of high-temperature heat (an external combustion chamber), an additional cylinder-piston pair with a refrigerator, a multi-valve gas distribution system and a kinematic device that ensures that the angular speed of the auxiliary piston exceeds the main piston.

По сравнению с предыдущим, способ легче осуществим и немного проигрывает в η_т. Однако из-за очень больших степеней сжатия, наличия большого числа высокотемпературных клапанов и кинематической сложности воплощение в конструкцию вряд ли целесообразно.Compared with the previous one, the method is easier to implement and loses a little in η _t . However, due to the very high degrees of compression, the presence of a large number of high-temperature valves and kinematic complexity, implementation into the construction is hardly advisable.

Известен способ по замкнутому газовому циклу Стирлинга (Уокер Г.Двигатели Стирлинга. М. Машиностроение, 1985). Он включает повышение температуры и давления газа с подводом тепла от регенератора, почти изотермическое расширение с отбором работы и подводом тепла от внешнего источника, понижение температуры и давления за счет отвода тепла в регенератор и почти изотермическое сжатие с отводом тепла в холодильнике. Благодаря применению регенерации тепла его подвод осуществляется при почти постоянной максимальной температуре, а отвод тепла в холодильник при почти минимальной. В силу этого η_т цикла практически не отличается от значения (1). Двигатель Стирлинга содержит рабочую цилиндропоршневую пару для производства сжатия-расширения и вспомогательную пару с поршнем-вытеснителем для циклических изменений режима теплообмена. Целесообразность двигателей Стирлинга подтверждается практикой. В силу замкнутости газовой и смазочной систем они обладают очень большим рабочим ресурсом. Их топливная экономичность самая высокая из всех известных, а ход отличается максимальной плавностью, уравновешенностью и бесшумностью.There is a method for a closed gas cycle of Stirling (Walker G. Stirling engines. M. Engineering, 1985). It includes increasing the temperature and pressure of the gas with heat being supplied from the regenerator, almost isothermal expansion with selection of work and heat being supplied from an external source, lowering temperature and pressure due to heat removal to the regenerator, and almost isothermal compression with heat being removed in the refrigerator. Thanks to the application of heat recovery, it is supplied at an almost constant maximum temperature, and heat is removed to the refrigerator at an almost minimum temperature. By virtue of this, the η _m cycle practically does not differ from the value (1). The Stirling engine contains a working cylinder-piston pair for the production of compression-expansion and an auxiliary pair with a displacement piston for cyclic changes in the heat transfer mode. The feasibility of Stirling engines is confirmed by practice. Due to the isolation of the gas and lubrication systems, they have a very large working resource. Their fuel efficiency is the highest of all known, and the stroke is characterized by maximum smoothness, poise and noiselessness.

Несмотря на это, использование способа ограничено из-за ряда значительных недостатков. Цикл может быть организован эффективно лишь при небольших перепадах давления P_m/P_o≅ 1,5 (P_m максимальное, а P_o минимальное давление). При атмосферном значении P_o среднецикловое давление (точнее разность)

оказалось бы микроскопическим. Соответственно малой оказалась бы и литровая мощность, то есть двигатель оказался бы чрезвычайно громоздким и тяжелым. Стремление снизить массу двигателя путем увеличения литровой мощности за счет

привело к тому, что современные двигатели Стирлинга имеют P_o до 150 и даже до 200 атм. Это усложняет конструкцию наличием резервных емкостей высокого давления, перекачивающих насосов и узлов герметизации. Двигатель Стирлинга сам по себе не прост, что также увеличивает его массу и стоимость. Стремление снизить взрывоопасность при ограниченной массе за счет применения высокосортных материалов также увеличивает стоимость.Despite this, the use of the method is limited due to a number of significant disadvantages. The cycle can be organized efficiently only at small pressure drops P _m / P _o ≅ 1.5 (P _{m is} maximum and P _{o is} minimum pressure). At atmospheric value of P _{o the} average cyclic pressure (more precisely the difference)

would be microscopic. Accordingly, liter capacity would also be small, that is, the engine would be extremely bulky and heavy. The desire to reduce engine weight by increasing liter capacity due to

led to the fact that modern Stirling engines have P _o up to 150 and even up to 200 atm. This complicates the design with the availability of redundant pressure vessels, transfer pumps and sealing units. The Stirling engine itself is not simple, which also increases its mass and cost. The desire to reduce explosiveness with limited mass through the use of high-grade materials also increases the cost.

Известен способ по паросиловому циклу Карно (Кириллин В.А. Сычев В.В. Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М. Энергоатомиздат, 1983, с. 293-295), который включает испарительное расширение рабочего тела по изотерме-изобаре с подводом тепла при максимальной температуре, адиабатное расширение пара с отбором работы и повышением влажности, конденсационное сжатие пара по изотерме-изобаре с отводом тепла при минимальной температуре и дальнейшим повышением влажности пара и дальнейшее сжатие пара до жидкого состояния по адиабате. В силу изотермичности подвода и отвода тепла η_т выражается формулой (1). Соответствующий ТД довольно прост. Он включает паровой котел с внешним источником тепла (пламенная топочная система), расширительную машину (паровую турбину), холодильник-конденсатор и сжимающую машину (компрессор).A method is known for the Carnot steam-power cycle (Kirillin V.A. Sychev V.V. Sheindlin A.E. Technical Thermodynamics. M. Energoatomizdat, 1983, pp. 293-295), which includes the evaporative expansion of the working fluid along the isotherm-isobar with supply heat at maximum temperature, adiabatic expansion of steam with selection of work and increase in humidity, condensation compression of steam along the isotherm-isobar with heat removal at minimum temperature and further increase in humidity of steam and further compression of steam to a liquid state along adiabat. Due to the isothermal supply and removal of heat, η _t is expressed by formula (1). The corresponding AP is quite simple. It includes a steam boiler with an external heat source (flame furnace system), an expansion machine (steam turbine), a condenser refrigerator and a compression machine (compressor).

Большой недостаток способа низкий полный КПД η, обусловленный очень высокими газодинамическими потерями энергии в проточных каналах из-за аномально высокой вязкости влажного пара. Поэтому способ не нашел применения, если не считать минувшего века поршневых машин Уатта. A big disadvantage of the method is low total efficiency η, due to very high gas-dynamic energy losses in the flow channels due to the abnormally high viscosity of wet steam. Therefore, the method did not find application, except for the past century, Watt piston machines.

Наиболее близким к предлагаемому решению (прототипом) является способ по паросиловому циклу Клаузиуса-Ренкина (Кириллин В.А. Сычев В.В. Шейндман А.Е. Техническая термодинамика. М. Энергоатомиздат, 1983, с. 295-301, 316-320), который включает следующие процессы:
испарительное расширение рабочего тела при максимальном давлении;
перегрев его пара до максимальной температуры;
расширение пара с отбором работы и понижением давления до минимального;
регенерационное охлаждение отработанного пара;
конденсационное сжатие пара до жидкого состояния с отводом тепла;
повышение давления полученной жидкости до максимального;
регенерационный подогрев этой жидкости.Closest to the proposed solution (prototype) is the Clausius-Rankin steam cycle method (Kirillin V.A. Sychev V.V. Sheindman A.E. Technical Thermodynamics. M. Energoatomizdat, 1983, pp. 295-301, 316-320 ), which includes the following processes:
evaporative expansion of the working fluid at maximum pressure;
overheating of its steam to a maximum temperature;
steam expansion with selection of work and pressure reduction to a minimum;
regenerative cooling of exhaust steam;
condensation compression of the vapor to a liquid state with heat removal;
increasing the pressure of the resulting liquid to a maximum;
regenerative heating of this fluid.

Первые два процесса осуществляют за счет подвода тепла от внешнего источника, а третий процесс организуют адиабатно, т.е. без теплообмена. Соответствующий ТД (там же, с. 317, рис. 11.27) содержит внешний источник тепла, паровой котел, пароперегреватель, расширительную машину (паровую турбину), холодильник-конденсатор, систему подкачивающих жидкостных насосов, систему тепловых регенераторов. The first two processes are carried out by supplying heat from an external source, and the third process is organized adiabatically, i.e. without heat transfer. The corresponding TD (ibid., P. 317, Fig. 11.27) contains an external heat source, a steam boiler, a superheater, an expansion machine (steam turbine), a refrigerator-condenser, a system of booster liquid pumps, and a system of heat regenerators.

Благодаря перегреву пара в сухой газ и полной конденсации отработанного пара в жидкость потери энергии в проточных каналах двигателя сокращаются до минимума, что ведет к повышению h. Применение перегрева увеличивает напор Т_н Т_х, что поднимает значение h_т. Применение частичной (в сокращенном интервале температур) регенерации тепла также увеличивает значение η_т, а следовательно и полного КПД η. В результате уровень h удается довести до 0,35-0,37, что примерно соответствует уровню дизельных ДВС (h 0,37-0,39).Due to the superheating of the steam into a dry gas and the complete condensation of the spent steam into a liquid, energy losses in the engine’s flow channels are reduced to a minimum, which leads to an increase in h. The use of overheating increases the pressure T _n T _x that raises the value of h _t The use of partial (in a reduced temperature range) heat recovery also increases the value of η _t , and hence the total efficiency η. As a result, the level of h can be brought up to 0.35-0.37, which approximately corresponds to the level of diesel ICE (h 0.37-0.39).

Однако, вследствие частичности тепловой регенерации и связанной с этим существенной неизотермичности подвода тепла, полный КПД оказывается недостаточно высоким. В частности, ТД по данному способу заметно проигрывает двигателю Стирлинга (h_т= 0,7, η 0,4-0,42). Кроме того, применяемые для расширения пара турбины обладают очень узкими пределами рабочих угловых скоростей и очень медленно переходят с режима на режим при регулировании мощности. Иными словами, обладают очень плохими динамическими и регулировочными качествами. Из-за этого такие двигатели несовместимы с динамичными видами транспорта, например, с автомобилями, и со многими другими потребителями механической работы. Область их применения ограничена тепловыми электростанциями и судовыми установками большой мощности.However, due to the partial thermal regeneration and the associated significant nonisothermal heat supply, the total efficiency is not high enough. In particular, the TD by this method noticeably loses to the Stirling engine (h _t = 0.7, η 0.4-0.42). In addition, the turbines used to expand the steam have very narrow limits of working angular velocities and very slowly switch from mode to mode when controlling power. In other words, they have very poor dynamic and adjusting qualities. Because of this, such engines are incompatible with dynamic modes of transport, for example, with cars, and with many other consumers of mechanical work. The scope of their application is limited to thermal power plants and ship installations of high power.

Задачей изобретения является повышение КПД и улучшение динамических и регулировочных качеств теплового двигателя. The objective of the invention is to increase the efficiency and improve the dynamic and adjusting qualities of the heat engine.

Это достигается тем, что в способе работы ТД с внешним подводом тепла, включающем испарительное расширение рабочего тела при максимальном давлении, перегрев его пара до максимальной температуры, расширение пара с отбором работы и падением давления до минимального, регенеративное охлаждение пара, конденсационное сжатие в жидкость с отводом тепла, повышение давления полученной жидкости и ее регенеративный подогрев, расширение пара с отбором работы проводят изотермически путем подвода внешнего тепла, а испарительное расширение тела и перегрев его пара проводят за счет регенеративного нагревания, при этом максимальное давление доводят до закритического значения. А также тем, что в тепловом двигателе по этому способу, содержащем паровой котел, внешний источник тепла, расширительную машину, холодильник-конденсатор, подкачивающий жидкостный насос и систему тепловых регенераторов, расширительная машина имеет цилиндро-поршневую конструкцию, выполненную с возможностью подвода тепла в цилиндр от внешнего источника, паровой котел выполнен в виде ресивера пара, а система тепловых регенераторов состоит из двух частей основного регенератора, включенного между цилиндром и котлом, и дополнительного регенератора с двумя проточными контурами, один из которых включен между основным регенератором и холодильником-конденсатором через выпускной клапан, а второй между холодильником-конденсатором и котлом через подкачивающий жидкостной насос. This is achieved by the fact that in the method of working with external heat supply, including evaporative expansion of the working fluid at maximum pressure, steam overheating to maximum temperature, expansion of the steam with selection of work and pressure drop to the minimum, regenerative cooling of the steam, condensation compression into the liquid with heat removal, increasing the pressure of the obtained liquid and its regenerative heating, expansion of steam with selection of work is carried out isothermally by supplying external heat, and the evaporative expansion of the body and egrev its vapor is conducted due to the regenerative heating, the maximum pressure is brought to supercritical values. And also by the fact that in a heat engine according to this method, comprising a steam boiler, an external heat source, an expansion machine, a condenser-condenser, a booster liquid pump and a system of heat regenerators, the expansion machine has a cylinder-piston design configured to supply heat to the cylinder from an external source, the steam boiler is made in the form of a steam receiver, and the system of thermal regenerators consists of two parts of the main regenerator connected between the cylinder and the boiler, and an additional regenerator two operators with the flow path, one of which is connected between the main condenser and the regenerator-condenser through the outlet valve, and the second between the condenser and the boiler-condenser through a liquid booster pump.

Благодаря замене адиабатного расширения (в прототипе) на изотермическое, температура отработавшего пара сохраняется максимальной Т_н. За счет этого возникает реализуемая возможность осуществить регенерацию тепла в полном интервале рабочих температур Т_н-Т_х. Поскольку конденсационное сжатие тела также изотермично, значение h_т приближается к значению (1). При этом температура Т_н ограничивается только термической прочностью конструкционных материалов. Благодаря этому значение η существенно возрастает.By replacing the adiabatic expansion (in the prototype) with isothermal, the temperature of the exhaust steam is kept at a maximum T _n . Due to this, a real opportunity arises to carry out heat recovery in the full range of operating temperatures T _n -T _x . Since the condensation compression of the body is also isothermal, the value of h _t approaches the value of (1). The temperature T _{n is} limited only by the thermal strength of structural materials. Due to this, the value of η increases significantly.

Замена турбинного расширения на объемное, т.е. цилиндро-поршневое, улучшает динамические и регулировочные качества ТД, который в этом смысле эквивалентен поршневой машине Уатта. Указанные свойства последней до сих пор остаются непревзойденными. Таким образом, решение поставленной задачи достигается в полном объеме. Replacement of turbine expansion by volumetric, i.e. cylinder-piston, improves the dynamic and adjusting qualities of the TD, which in this sense is equivalent to the Watt piston machine. The indicated properties of the latter still remain unsurpassed. Thus, the solution of the problem is achieved in full.

На фиг.1 дана конструктивная схема теплового двигателя; на фиг.2 - ТS-диаграмма термодинамического цикла способа (Т температура, S энтропия рабочего тела). Figure 1 is a structural diagram of a heat engine; figure 2 - TS diagram of the thermodynamic cycle of the method (T temperature, S entropy of the working fluid).

На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 цилиндр, 2 поршень, 3 - внешний источник тепла, 4 основной регенератор, 5 выпускной клапан, 6 - обратный клапан, 7 контур низкого давления, 8 холодильник-конденсатор, 9 - подкачивающий насос, 10 контур высокого давления, 11 котел, 12 впускной клапан, 13 регулятор давления, 14 вспомогательный контур котла. In Fig. 1, the following designations are adopted: 1 cylinder, 2 piston, 3 - external heat source, 4 main regenerator, 5 exhaust valve, 6 - check valve, 7 low pressure circuit, 8 refrigerator-condenser, 9 - booster pump, 10 circuit high pressure, 11 boiler, 12 inlet valve, 13 pressure regulator, 14 auxiliary boiler circuit.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:
F кривая, огибающая область равновесия фаз "пар-жидкость" рабочего тела;
Т^* максимум F, или критическая температура рабочего тела;
Т_x температура конденсации при P P_o;
Т_c условная температура испарения в котле при P P_m;
Т_н температура нагревания (подвода тепла от источника);
a точка состояния сконденсированного тела при T T_х, P P₀;
b точка состояния жидкого тела на выходе насоса при P P_m;
c точка состояния тела в котле при T T_c, P P_m;
d точка состояния тела в конце регенеративного нагревания до температуры T T_н, P P_m;
e точка состояния тела в конце изотермического расширения при T T_н, P P_о;
f точка состояния тела в конце регенеративного охлаждения до температуры T_x при P P_о (сухой пар);
f' регенеративно смещенная точка f;
a' регенеративно смещенная точка a.In figure 2, the following notation:
F curve enveloping the region of equilibrium of the phases "vapor-liquid" of the working fluid;
T ^* maximum F, or critical temperature of the working fluid;
T _x condensation temperature at PP _o ;
T _{c is the} conventional evaporation temperature in the boiler at PP _m ;
T _n heating temperature (heat supply from the source);
a point of state of the condensed body at TT _x , PP ₀ ;
b state point of the liquid body at the pump outlet at PP _m ;
c is the state point of the body in the boiler at TT _c , PP _m ;
d point of the state of the body at the end of regenerative heating to a temperature of TT _n , PP _m ;
e point of the state of the body at the end of isothermal expansion at TT _n , PP _о ;
f the point of the state of the body at the end of regenerative cooling to a temperature T _x at PP _о (dry steam);
f 'regeneratively displaced point f;
a 'regeneratively displaced point a.

Температура газа в цилиндре 1 (фиг.1) над поршнем 2 всегда равна Т_н в силу теплообмена с внешним источником тепла 3. С этой целью верхняя часть цилиндра 1 выполнена также, как в двигателе Стирлинга. В холодильнике-конденсаторе 8 рабочее тело находится под давлением P_о при температуре Т_x в состоянии равновесия двух фаз "жидкость-пар". Режим холодильника поддерживается постоянным за счет теплообмена с внешним агентом - охлаждающим воздухом или жидкостью. Внутри котла 11 режим пара Т_c, P_m также постоянен.The gas temperature in the cylinder 1 (Fig. 1) above the piston 2 is always equal to T _n due to heat exchange with an external heat source 3. For this purpose, the upper part of the cylinder 1 is made in the same way as in the Stirling engine. In the refrigerator-condenser 8, the working fluid is under pressure P _о at a temperature T _x in the equilibrium state of two liquid-vapor phases. The refrigerator mode is maintained constant due to heat exchange with an external agent - cooling air or liquid. Inside the boiler 11, the steam mode T _c , P _{m is} also constant.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

При положении поршня 2 в крайнем нижнем положении давление P_о в цилиндре 1 над поршнем 2 минимально. При движении поршня 2 вверх открывается выпускной клапан 5 при закрытом клапане 12 и начинается процесс перекачки цилиндрового газа в холодильник-конденсатор 8 через регенератор 4, клапан 5, обратный клапан 6 и регенеративный контур 7. При проходе через регенераторы газ последовательно отдает в них свое тепло, а потому его температура последовательно снижается до Т_х и поступает в холодильник 8 в состоянии пара. В холодильнике 8 поступивший пар конденсируется в жидкость. Процесс перекачки заканчивается, когда поршень 2 достигнет крайнего верхнего положения с нулевым объемом. При обратном движении поршня 2 вниз клапан 5 закрыт, а впускной клапан 12 открывается. Через него из котла 11 в цилиндр впускается газ под давлением P_m. При проходе через регенератор 4 он последовательно нагревается от температуры Т_c до Т_н, а потому не получает от источника 3 никакого тепла. Впуск прекращается закрытием клапана 12 в момент, когда в цилиндр впущена масса m_о газа. Значение m_о будет определено ниже. Одновременно насос 9 перекачивает из холодильника конденсат массой m_о в котел 11. При проходе через регенеративный контур 10 конденсат последовательно нагревается от Т_x до Т_c, при этом он испаряется без скачка плотности (без кипения) и входит в котел в виде подогретого газа высокого давления. Благодаря этому во всех объемах двигателя сохраняется постоянным баланс масс. При дальнейшем опускании поршня при закрытых клапанах происходит изотермическое расширение газа с падением давления до P_о в крайнем нижнем положении. Далее описанный двухтактный цикл повторяется. За цикл газ совершает положительную работу, поскольку давление при подъеме поршня меньше давлений при опускании.When the piston 2 is in its lowest position, the pressure P _about in the cylinder 1 above the piston 2 is minimal. When the piston 2 moves upward, the exhaust valve 5 opens with the valve 12 closed and the process of pumping cylinder gas into the refrigerator-condenser 8 begins through the regenerator 4, valve 5, the check valve 6 and the regenerative circuit 7. When passing through the regenerators, the gas sequentially gives off its heat to them , and therefore its temperature is successively reduced to T _x and enters the refrigerator 8 in a state of steam. In the refrigerator 8, the incoming steam condenses into a liquid. The pumping process ends when the piston 2 reaches its extreme upper position with zero volume. With the reverse movement of the piston 2 downward, the valve 5 is closed, and the inlet valve 12 opens. Through it from the boiler 11, gas is introduced into the cylinder at a pressure P _m . When passing through the regenerator 4, it is sequentially heated from the temperature T _c to T _n , and therefore does not receive any heat from the source 3. The inlet is stopped by closing the valve 12 at the moment when the mass m _about gas is admitted into the cylinder. The value of m _o will be determined below. At the same time, the pump 9 pumps condensate of mass m _о from the refrigerator to the boiler 11. When passing through the regenerative circuit 10, the condensate is sequentially heated from T _x to T _c , while it evaporates without a density jump (without boiling) and enters the boiler in the form of high-temperature heated gas pressure. Due to this, the mass balance is kept constant in all engine volumes. With further lowering of the piston with the valves closed, isothermal expansion of the gas occurs with a pressure drop to P _about in the lowest position. The following two-stroke cycle is repeated. During the cycle, the gas does a positive job, since the pressure when raising the piston is less than the pressure when lowering.

Рассмотрим подробнее эту работу. Работа на такте перекачки:
A_о= -P_оV
где V полный объем цилиндра.Let us consider this work in more detail. Work on the pumping cycle:
A _o = -P _o V
where V is the total volume of the cylinder.

Работа впуска:
A₁ P_mV_в
где V_в объем впуска.Intake Work:
A ₁ P _m V _in
where V _is the intake volume.

Так как во время перекачки и впуска рабочее тело не получает от источника 3 никакого тепла, могущего быть превращенным в работу, то согласно первому закону термодинамики
(A_о + A₁) 0
К этому можно прийти и прямыми вычислениями по (4). Уравнение газового состояния для T T_н имеет вид
PX m_оRT_н
где X текущее значение цилиндрового объема;
P газовая постоянная Майера.Since during pumping and inlet the working fluid does not receive any heat from source 3 that could be turned into work, according to the first law of thermodynamics
(A _o + A ₁ ) 0
This can also be achieved by direct calculations according to (4). The gas state equation for TT _n has the form
PX m _o RT _n
where X is the current value of the cylinder volume;
P is the Mayer gas constant.

В частности, при X V должно быть P P_о. Подстановка в (6) дает

При X V_в давление максимально, поэтому из (6) и (7) следует

В силу (5) цикловая работа A_ц равна работе изотермического расширения

Вычисление интеграла (9) с учетом предыдущих выражений дает

Формулы (3)-(10) не учитывают различные потери энергии, сопровождающие работу всякого реального двигателя. Они годятся лишь для идеализированных оценок первого приближения. При расчете η_т большинство потерь не учитывается. Однако, есть потери, которые следует учесть в оценке η_т, так как от этого зависит выбор рабочего тела. Для этого представим рассматриваемый цикл в описании через TS термодинамические параметры. Графическое изображение такого цикла дается на фиг.2.In particular, at XV there should be PP _about . Substitution in (6) gives

At XV _{, the} pressure is maximum, therefore, from (6) and (7) it follows

By virtue of (5), the cyclic work of A _c is equal to the work of isothermal expansion

Calculation of the integral (9), taking into account the previous expressions, gives

Formulas (3) - (10) do not take into account various energy losses that accompany the operation of any real engine. They are suitable only for idealized estimates of the first approximation. When calculating η _t, most of the losses are not taken into account. However, there are losses that should be taken into account in the estimation of η _t , since the choice of the working fluid depends on this. To do this, we present the cycle in question in the description through TS thermodynamic parameters. A graphical representation of such a cycle is given in figure 2.

Здесь смещение ab отражает адиабатное (изоэнтропное) повышение давления от P_о до P_m работой подкачивающего насоса. Из-за малой сжимаемости жидкого тела это смещение очень мало и на диаграмме для наглядности преувеличено. Изобарный отрезок bc отражает разогрев тела с его испарением без скачка плотности (без кипения) при P P_m в регенерационном контуре 10 (фиг.1). Продолжение этой изобары cd отображает перегрев тела в основном регенераторе 4.Here, the displacement ab reflects the adiabatic (isentropic) increase in pressure from P _о to P _{m by the} operation of the booster pump. Due to the low compressibility of the liquid body, this displacement is very small and is exaggerated in the diagram for clarity. The isobaric segment bc reflects the heating of the body with its evaporation without a density jump (without boiling) at PP _m in the regeneration circuit 10 (Fig. 1). The continuation of this isobar cd displays the overheating of the body in the main regenerator 4.

Состояние тела после впуска изображается той же точкой d, поскольку при впуске оно не получает никакого тепла. Изотермический переход de отображает цилиндровое расширение с подводом тепла от источника 3 и падением давления от P_m до P_о по изотерме.The state of the body after the inlet is represented by the same point d, since it does not receive any heat at the inlet. The isothermal transition de represents a cylinder expansion with heat input from source 3 and a pressure drop from P _m to P _о along the isotherm.

Изобарный переход ef при P P_о изображает регенерационное охлаждение тела до состояния сухого пара в элементах 10 и 7. Последний переход fa, замыкающий цикл, отображает полную конденсацию тела в элементе 8 (фиг.1).The isobaric transition ef at PP _о depicts the regenerative cooling of the body to the state of dry vapor in elements 10 and 7. The last transition fa, the closing cycle, displays the complete condensation of the body in element 8 (Fig. 1).

Учет регенерации на боковых изобарных ветвях TS цикла при оценке η_т сводится к следующей графической операции. Спроектируем точку e на изотерму T T_x по адиабате S const. Получим точку f'. Площадь фигуры fef' изображает теплоту, которую правая ветвь отдает в левую при регенерации. Это значит, что точка f' является адиабатным аналогом точки f. Поэтому адиабатный аналог точки a получается ее регенерационным смещением в точку a' на дистанцию по S, равную смещению ff'.Taking into account the regeneration on the lateral isobaric branches of the TS cycle when estimating η _t reduces to the following graphic operation. We project the point e onto the isotherm TT _x using the adiabat S const. We get the point f '. The area of the fef 'figure depicts the warmth that the right branch gives off to the left during regeneration. This means that the point f 'is an adiabatic analogue of the point f. Therefore, the adiabatic analogue of the point a is obtained by its regenerative displacement to the point a 'by a distance along S equal to the displacement ff'.

Проделывая такую же графическую операцию для всех других изотерм Т const, окончательно получим регенерационно смещенную левую ветвь a'd, которая, вообще говоря, может отличаться от адиабаты, то есть от строго вертикальной линии. Performing the same graphic operation for all other isotherms of T const, we finally obtain a regeneratively displaced left branch a'd, which, generally speaking, may differ from the adiabat, that is, from a strictly vertical line.

Если бы переход a'd был бы строгой адиабатой, как и ef', то мы получили бы полный аналог цикла Карно, и η_т выражался бы формулой (1). Для этого боковые ветви цикла должны отличаться друг от друга строго постоянным сдвигом по S на всех изотермах Т const. Как выражаются в термодинамике, они должны быть вполне эквидистантными. В грубом приближении так оно и есть, поскольку обе ветви суть изобары одного и того же рабочего тела. Однако, в более точном смысле это не так.If the transition a'd were a strict adiabat, like ef ', then we would get a complete analogue of the Carnot cycle, and η _m would be expressed by formula (1). For this, the side branches of the cycle must differ from each other by a strictly constant shift in S on all isotherms T const. As expressed in thermodynamics, they must be completely equidistant. In a rough approximation, it is so, since both branches are isobars of the same working fluid. However, in a more precise sense, this is not so.

Левая ветвь осложнена конечным переходом ab и наличием точки перегиба в области Т^*. Последнее искажение иногда именуют эффектом близости критической точки. Если бы давление на левой ветви было бы недостаточно высоким P_m < P^* (P^* критическое давление рабочего тела), то перегиб выродился бы в изотермическую линию испарения при Т_c < Т^* и искажения формы левой ветви оказались бы очень большими. Для очень существенного уменьшения этих искажений максимальное давление цикла P_m устанавливают закритическим, то есть P_m > P_*. При этом явление испарения через кипение исчезает и жидкость переходит в газ без скачка плотности.The left branch is complicated by the final transition ab and the presence of an inflection point in the region T ^* . The latter distortion is sometimes called the critical point proximity effect. If the pressure on the left branch were not high enough P _m <P ^* (P ^* critical pressure of the working fluid), then the inflection would degenerate into an isothermal evaporation line at T _c <T ^* and the distortions in the shape of the left branch would be very large. For a very significant reduction of these distortions, the maximum cycle pressure P _{m is} set supercritical, that is, P _m > P _* . In this case, the evaporation phenomenon through boiling disappears and the liquid passes into the gas without a density jump.

Указанные отклонения от эквидистантности могут быть учтены с помощью коэффициента прямоугольности К_п

где S_o площадь фигуры a'def', Σ площадь вписывающего ее прямоугольника. Величина h_т при этом рассчитывается по формуле

Для повышения К_п следует выбирать тело с разницей (Т^* - Т_x), не превосходящей 12^o. Таким телом может быть сероуглерод, аммиак, различные фреоны и другие неорганические и органические вещества. Выбор тела однозначно определяет его параметры Т^* и P^*, а если Т_x задано, то и P_о. Вообще говоря, чем больше разница (P_m P^*), тем меньше выражен эффект близости и тем выше значение К_п. Однако, слишком высокие P_m влекут слишком большие значения промежуточной температуры Т_c, что очень нежелательно с других точек зрения. Вполне удовлетворительными будут разности (P_m P^* в 2-10 атм. Следует заметить, что вода, принятая в прототипе как рабочее тело, для данного способа будет очень плохим веществом из-за слишком высоких критических параметров. При выборе же хорошего тела можно получить К_п не ниже 0,93 и η_т на уровне
η_т= 0,93•0,7≈0,65 (13)
Представим теперь цикловую работу А_ц любого объемного двигателя (в том числе и рассматриваемого) через формальную характеристику среднецикловое давление

Сравнивая его с (10), получим

Мощность двухтактного двигателя П получается умножением А_ц на число оборотов (циклов) в секунду п

Отношение же

называется литровой мощностью двигателя. Для четырехтактных двигателей правая часть (17) должна быть умножена на 1/2 для учета двух нерабочих (газообменных) тактов на полном цикле.These deviations from equidistance can be taken into account using the coefficient of rectangularity K _p

where S _{o is the} area of the figure a'def ', Σ is the area of the rectangle inscribing it. The value of h _t is calculated by the formula

To increase K _{p you} should choose a body with a difference (T ^* - T _x ) not exceeding 12 ^o . Such a body can be carbon disulfide, ammonia, various freons and other inorganic and organic substances. The choice of a body uniquely determines its parameters T ^* and P ^* , and if T _x is given, then P _о . Generally speaking, the larger the difference (P _m P ^* ), the less pronounced the proximity effect and the higher the K _p value. However, too high P _m entail too high values of the intermediate temperature T _c , which is very undesirable from other points of view. The differences will be quite satisfactory (P _m P ^* of 2-10 atm. It should be noted that the water adopted in the prototype as a working fluid for this method will be a very poor substance due to too high critical parameters. If you choose a good body you can get To _p not lower than 0.93 and η _t at
η _t = 0.93 • 0.7≈0.65 (13)
Let us now imagine the cyclic work A _{c of} any volumetric engine (including the one under consideration) through the formal characteristic of the average cycle pressure

Comparing it with (10), we obtain

The power of a two-stroke engine P is obtained by multiplying A _c by the number of revolutions (cycles) per second p

Attitude is

called liter engine power. For four-stroke engines, the right-hand side of (17) should be multiplied by 1/2 to take into account two non-working (gas exchange) cycles in a full cycle.

Литровая мощность решающим образом влияет на весовые характеристики двигателя и поэтому должна быть увеличена, насколько это конструктивно допустимо и экономически беспроигрышно. Это, прежде всего, возможно осуществить за счет повышения

, согласно (17). Из (15) видно, что это можно сделать как за счет повышения P_m, так и за счет повышения P_о. Однако, в области больших превышений P_m/P_о влияние повышения P_о является доминирующим. К тому же следует заметить, что повышение P_m свыше 150 атм крайне нежелательно из-за большой напряженности деталей двигателя. Таким образом, главным средством повышения литровой мощности является повышение начального давления P_о (как и в двигателях Стирлинга) вплоть до уровня (P_о)_max 0,5 P_m.Liters power decisively affects the weight characteristics of the engine and therefore should be increased as far as it is structurally feasible and economically safe. First of all, this can be done by increasing

according to (17). From (15) it can be seen that this can be done both by increasing P _m , and by increasing P _about . However, in the region of large excesses of P _m / P _{о, the} influence of an increase in P _о is dominant. In addition, it should be noted that an increase in P _m above 150 atm is extremely undesirable due to the high tension of engine parts. Thus, the main means of increasing liter capacity is to increase the initial pressure P _о (as in Stirling engines) up to the level (P _о ) _max 0.5 P _m .

Однако, для заданной внешними условиями эксплуатации величины Т_x рост P_о определяется выбором рабочего тела и не может быть установлен произвольно. Существует общая тенденция для различных реальных тел величина P_о возрастает по мере сокращения разности (Т^* Т_x). Поэтому тело можно считать хорошим, если его критическая температура Т^* невелика, но больше Т_x. Если к этому добавить упомянутые ограничения по P^* < P_m, то можно сформулировать главный критерий для выбираемого рабочего тела невысокие критические параметры.However, for the value of T _x specified by the external operating conditions, the growth of P _о is determined by the choice of the working fluid and cannot be arbitrarily set. There is a general tendency for various real bodies, the value of P _о increases as the difference decreases (T ^* T _x ). Therefore, a body can be considered good if its critical temperature T ^* is small, but greater than T _x . If we add to this the mentioned restrictions on P ^* <P _m , then we can formulate the main criterion for the selected working fluid low critical parameters.

В качестве конкретного примера примем за рабочее тело бромистый водород НВч. (Таблицы физических величин (справочник)/ Под ред. ак. Кикоина И.К. М. Атомиздат, 1976, с. 210) с параметрами Т^* 362^oК, P^*=84,4 а атм. Из таблицы справочника видно, что для температуры охлаждения в 306 К (34^oC) давление паров тела P_о составит 30 атм. Ориентировочно установим уровень максимального давления P_m 90 атм. Оценим теперь уровень среднециклового давления по (15):

Заметим, что уровень

в дизельных ДВС не превосходит 11 кг/см². Заметим также, что уровень P_о оказывается здесь почти на порядок меньшим, чем в двигателях Стирлинга при соизмеримых

.As a specific example, we take for the working fluid, hydrogen bromide НВч. (Tables of physical quantities (reference book) / Under the editorship of Ak. Kikoin I.K. Atomizdat, 1976, p. 210) with parameters T ^* 362 ^o K, P ^* = 84.4 atm. The reference table shows that for a cooling temperature of 306 K (34 ^o C) the vapor pressure of the body P _about will be 30 atm. Roughly set the maximum pressure level P _m 90 atm. Let us now evaluate the level of the average cyclic pressure according to (15):

Note that the level

in diesel ICE does not exceed 11 kg / cm ² . We also note that the level of P _o is here almost an order of magnitude lower than in Stirling engines with commensurate

.

Дадим теперь сравнительную (как более наглядную) оценку литровой мощности ТД. В качестве эталона сравнения выберем четырехтактный дизельный ДВС, как наиболее устойчивый, всесторонне совершенный и перспективный к вытеснению других типов из-за нарастающего дефицита углеводородного топлива. Для начала примем условие равенства числа оборотов сравниваемых двигателей. Тогда, согласно (17) с учетом разницы в тактностях получим

N_лэ и

литровая мощность и среднецикловое давление эталона. Примем теперь в расчет некоторые дополнительные моменты. При сравнении двух двигателей равной мощности при равном числе оборотов скорости и ускорения подвижных частей, а, следовательно, и их напряженность будут меньшими в том двигателе, который имеет большую литровую мощность. В силу этого соображения оцениваемый ТД имеет соответствующий резерв повышения числа η. Реализация этого резерва в данном ТД не ограничена условием допустимой неполноты сгорания топлива, как в эталоне. Поэтому ничего не препятствует увеличению числа оборотов в 1,3-1,5 раза по сравнению с эталонным. Согласно (17) в такое же число раз увеличивается литровая мощность. Для исключения преувеличений примем нижнюю границу превышений 1,3. Для скорректированной за это литровой мощности получим окончательную оценку

Приблизительную оценку удельного веса (в отношении к единице мощности) ТД лучше всего дать методом сравнения с тем же эталоном. В качестве формулы метода используем

где М удельный вес (или удельная масса) оцениваемого ТД;
М_э удельный вес эталона;
М_л литровый вес оцениваемого ТД;
М_лэ литровый вес эталона.We now give a comparative (as a more visual) assessment of the liter capacity of the TD. As a reference standard, we will choose a four-stroke diesel engine, as the most stable, comprehensively perfect and promising to displace other types due to the growing shortage of hydrocarbon fuel. To begin with, we accept the condition of equality of the number of revolutions of the compared engines. Then, according to (17), taking into account the difference in the clock cycles, we obtain

N _le and

liter power and average cycle pressure of the standard. We now take into account some additional points. When comparing two engines of equal power with an equal number of revolutions of speed and acceleration of the moving parts, and, consequently, their tension will be less in the engine that has a large liter capacity. Due to this reason, the evaluated TD has a corresponding reserve for increasing the number η. The implementation of this reserve in this TD is not limited to the condition of permissible incompleteness of fuel combustion, as in the standard. Therefore, nothing prevents the increase in the speed of 1.3-1.5 times in comparison with the reference. According to (17), the liter capacity increases by the same number of times. To avoid exaggeration, we will accept the lower limit of excess of 1.3. For the liter capacity corrected for this, we get the final estimate

An approximate estimate of the specific gravity (in relation to a unit of power) of an AP is best given by comparing it with the same standard. We use the formula of the method

where M is the specific gravity (or specific gravity) of the evaluated TD;
M _{e the} specific gravity of the standard;
M _l liter weight of the estimated TD;
M _le liter standard weight.

При оценке литрового веса М_л необходимо учесть влияние дополнительных масс холодильника, котла, устройства внешнего сгорания, или его заменителя, регенераторов. Следует также учесть отрицательное влияние (в смысле роста М_л) усложненную конструкцию цилиндра и поршня с элементами теплообмена и теплозащиты, а также резко увеличенную литровую нагрузку на коленчатый вал. Положительное же влияние гораздо более "мягкого" силового режима за счет большей равномерности крутящего момента и отсутствия резких пиков давления (при полудетонационном внутреннем сгорании) будет значительно меньшим, но существенным. Точный учет всех этих факторов заранее невозможен. Однако, экспертную оценку

никак нельзя признать приуменьшенной (занижающей оцениваемый уровень М). Подстановка (20) и последней оценки в (21) дает искомую оценку

Таким образом, оцениваемый ТД будет легче дизельного двигателя более, чем в 2 раза. Это примерно соответствует весу карбюраторного ДВС.When assessing the liter weight M _l, it is necessary to take into account the influence of the additional masses of the refrigerator, boiler, external combustion device, or its substitute, regenerators. It should also take into account the negative effect (in the sense of growth of M _l ) of the complicated design of the cylinder and piston with elements of heat transfer and heat protection, as well as a sharply increased liter load on the crankshaft. The positive effect of a much softer power regime due to greater uniformity of torque and the absence of sharp pressure peaks (with semi-detonation internal combustion) will be much smaller, but significant. Accurate consideration of all these factors is not possible in advance. However, expert judgment

in no way can be recognized as understated (underestimating the estimated level of M). Substituting (20) and the last estimate in (21) gives the desired estimate

Thus, the estimated TD will be lighter than a diesel engine by more than 2 times. This roughly corresponds to the weight of the carburetor ICE.

Для оценки ожидаемого уровня полного КПД η и соответствующей ему топливной экономичности воспользуемся представлением
h = η_тη_п, (23)
где обобщенный КПД η_п учитывает все виды энергетических потерь в ТД, за исключением тех, которые учтены в значении η_т. Как и ранее, воспользуемся методом сравнения с эталоном, однако, из-за сходства структуры энергетических потерь выберем в качестве эталона двигатель Стирлинга. Для последнего характерны значения η_тэ=0,7, η_э= 0,42. Соответствующий им по (23) уровень КПД обобщенных потерь составляет
η_пэ= 0,6
Это определяет сравнительно очень высокий уровень внутренних потерь.To assess the expected level of full efficiency η and the corresponding fuel economy, we use the representation
h = η _t η _p , (23)
where the generalized efficiency η _p takes into account all types of energy losses in the TD, with the exception of those taken into account in the value of η _t . As before, we will use the comparison method with the standard, however, due to the similarity of the energy loss structure, we will choose the Stirling engine as the standard. The latter are characterized by η _te = 0.7, η _e = 0.42. The efficiency level of generalized losses corresponding to them in (23) is
η _pe = 0.6
This determines a relatively very high level of internal losses.

Основные причины такого обстоятельства следующие. The main reasons for this circumstance are as follows.

1. Через регенератор в двигателе проходит намного большее количество газа, чем цикловое, совершающее работу на силовом поршне. Соответственно, и тепловой поток через регенератор будет большим, чем это принципиально требуется для развития мощности на поршне. Поэтому тепловые потери в регенераторе, небольшие в отношении к тепловому потоку через него (около 2%), будучи отнесены к развиваемой мощности, могут составлять более 15%
2. Несовершенство реального цикла, выражающееся в неполной изотермичности подвода и отвода тепла дает дополнительные потери в 4-6%
3. Наличие дополнительного поршня-вытеснителя увеличивает потери на механическое трение примерно на 3-4%
В данном ТД через регенератор проходит лишь цикловое количество вещества. Это снижает регенерационные потери не менее, чем на 5% Теплоотвод в холодильнике-конденсаторе строго изотермичен, что дает не менее 2% экономии по потерям. Данный ТД не имеет дополнительного поршня и свободен от дополнительных потерь трения. Сравнение двигателей по остальным видам потерь не имеет смысла, так как они практически одинаковы. Таким образом, экспертно можно положить, что КПД по внутренним потерям η_п для данного ТД составит не менее 0,7. Это примерно соответствует уровню потерь в ДВС и паротурбинных двигателях. Подставляя полученную оценку и оценку (13) в (23) окончательно получаем
η≈ 0,65•0,7=0,45 (24)
Преимущество в 3% в сравнении с эталоном по η эквивалентно преимуществу по экономии топлива в 7% Относительно прототипа и дизельных ДВС экономия топлива повысится до 19% а относительно карбюраторных ДВС составит не менее 28%
Запуск холодного двигателя (фиг.1) начинается с разогрева внешнего источника тепла 3. Это может быть поджиг пламени внешнего сгорания, или приведение в состояние теплообмена с другим источником, например, аккумулятором тепла. Одновременно, часть тепла отводится через регулятор 13 во вспомогательный контур 14 котла 11. В результате рабочее тело в котле 11 разогревается и в нем создается необходимое давление P_m. После этого двигатель может быть легко запущен поворотом вала. В дальнейшем тепловая линия с элементами 13 и 14 служит для компенсации потерь тепла в двигателе и для стабилизации давления в котле 11.1. A much larger amount of gas passes through the regenerator in the engine than the cyclic one, which performs work on the power piston. Accordingly, the heat flux through the regenerator will be greater than what is fundamentally required for the development of power on the piston. Therefore, the heat loss in the regenerator, small in relation to the heat flux through it (about 2%), being attributed to the developed capacity, can be more than 15%
2. Imperfection of the real cycle, expressed in incomplete isothermal supply and removal of heat gives an additional loss of 4-6%
3. The presence of an additional piston-displacer increases the loss of mechanical friction by about 3-4%
In this TD, only a cyclic amount of the substance passes through the regenerator. This reduces regenerative losses by at least 5%. The heat sink in the refrigerator-condenser is strictly isothermal, which gives at least 2% savings in losses. This TD has no additional piston and is free from additional friction losses. Comparison of the engines for other types of losses does not make sense, since they are almost the same. Thus, it can be expertly assumed that the efficiency for internal losses η _p for a given AP will be at least 0.7. This approximately corresponds to the level of losses in internal combustion engines and steam turbine engines. Substituting the resulting estimate and estimate (13) into (23), we finally obtain
η≈ 0.65 • 0.7 = 0.45 (24)
An advantage of 3% compared to the standard for η is equivalent to an advantage in fuel economy of 7% Relative to the prototype and diesel ICE, fuel economy will increase to 19% and relative to carburetor ICE will be at least 28%
Starting a cold engine (Fig. 1) begins with heating an external heat source 3. This can be an ignition of an external combustion flame, or bringing into a state of heat exchange with another source, for example, a heat accumulator. At the same time, part of the heat is removed through the regulator 13 to the auxiliary circuit 14 of the boiler 11. As a result, the working fluid in the boiler 11 is heated and the necessary pressure P _m is created in it. After that, the engine can be easily started by turning the shaft. Subsequently, a heat line with elements 13 and 14 serves to compensate for heat loss in the engine and to stabilize the pressure in the boiler 11.

Переход на режим частичной мощности осуществляется более ранним закрытием впускного клапана 12. В результате цилиндр 1 впускается меньшая, чем m_о, масса газа. На столько же снижается цикловая работа, крутящий момент и мощность двигателя. При значительном уменьшении впускаемой массы газа его давление в конце расширения падает ниже, чем уровень P_о. При отсутствии обратного клапана 6 в выпускной цепи это привело бы к обратному прорыву пара из холодильника 8 в цилиндр 1. Такой прорыв привел бы к резкому падению h и расстройству термического режима регенерационных цепей. Включение в выпускную цепь обратного клапана 6 полностью устраняет эти вредные эффекты. Описанный способ регулирования является глубоким и практически мгновенным.The transition to partial power is carried out by earlier closing the intake valve 12. As a result, the cylinder 1 is admitted less than m _{about the} mass of gas. Cycling, torque and engine power are reduced by the same amount. With a significant decrease in the intake mass of the gas, its pressure at the end of the expansion drops lower than the level of P _about . In the absence of a check valve 6 in the exhaust circuit, this would lead to a reverse breakthrough of steam from the refrigerator 8 into cylinder 1. Such a breakthrough would lead to a sharp drop in h and a breakdown in the thermal regime of the regeneration chains. The inclusion in the exhaust circuit of a non-return valve 6 completely eliminates these harmful effects. The described method of regulation is deep and almost instantaneous.

Крутящий момент двигателя зависит от положения единственного органа-регулятора (не обозначен) момента закрытия клапана 12 вплоть до околонулевых оборотов. Только на очень больших оборотах крутящий момент может ощутимо снизиться за счет роста газодинамических потерь. Это определяет динамичность двигателя как очень хорошую. К этому следует добавить возможность "супер-силового" режима двигателя. Для его осуществления клапан 12 закрывают позже, чем допустимо для номинального цикла. Это приводит к увеличению цикловой массы газа и повышению крутящего момента сверх максимального. Таким путем крутящий момент можно мгновенно повысить в несколько раз. Конечно, такой режим нельзя использовать длительно из-за резкого падения h и расстройства системы регенерации. Однако, допустимость кратковременного использования (в течение нескольких секунд) сильно расширяет динамическое качество двигателя. Он будет почти идеальным для автомобиля. The engine torque depends on the position of the only regulator (not indicated) when valve 12 closes, up to about zero rotations. Only at very high revolutions can the torque be significantly reduced due to an increase in gas-dynamic losses. This defines the dynamics of the engine as very good. Added to this is the possibility of a "super-power" engine mode. For its implementation, the valve 12 is closed later than is permissible for the nominal cycle. This leads to an increase in the cyclic mass of the gas and an increase in torque beyond the maximum. In this way, the torque can be instantly increased several times. Of course, such a regimen cannot be used for a long time due to a sharp drop in h and a breakdown of the regeneration system. However, the permissibility of short-term use (within a few seconds) greatly expands the dynamic quality of the engine. It will be almost perfect for a car.

Таким образом, ТД по предлагаемому способу обладает уникальным комплексом свойств, несовместимых в других двигателях, а именно: самая высокая топливная экономичность; удельный вес на уровне карбюраторных ДВС; превосходные динамические и регулировочные качества. Thus, the TD according to the proposed method has a unique set of properties incompatible with other engines, namely: the highest fuel efficiency; specific gravity at the level of carburetor ICE; excellent dynamic and adjusting qualities.

Это определяет целесообразность замены в перспективе других двигателей на данный почти во всех областях техники, за исключением высокоскоростных летательных аппаратов, где господство легких газотурбинных и реактивных двигательно-движительных комплексов трудно преодолеть, а в области космоплавания это просто невозможно сделать. This determines the feasibility of replacing other engines with a given one in almost all areas of technology, with the exception of high-speed aircraft, where the dominance of light gas turbine and jet propulsion systems is difficult to overcome, and in the field of space navigation it is simply impossible to do.

Claims (2)

1. Способ работы теплового двигателя с внешним подводом тепла, включающий испарительное расширение рабочего тела при максимальном давлении, перегрев его пара до максимальной температуры, расширение пара с отбором работы и падением давления до минимального, регенеративное охлаждение пара, конденсационное сжатие в жидкость с отводом тепла, повышение давления полученной жидкости и ее регенеративный подогрев, отличающийся тем, что расширение пара с отбором работы проводят изотермически путем подвода внешнего тепла, а испарительное расширение тела и перегрев его пара проводят за счет регенеративного нагревания, при этом максимальное давление доводят до закритического значения. 1. The method of operation of a heat engine with an external supply of heat, including evaporative expansion of the working fluid at maximum pressure, overheating of its steam to maximum temperature, expansion of steam with selection of work and pressure drop to minimum, regenerative cooling of steam, condensation compression into a liquid with heat removal, increasing the pressure of the obtained liquid and its regenerative heating, characterized in that the expansion of the steam with the selection of work is carried out isothermally by supplying external heat, and the evaporative expansion The body is heated and its steam is overheated by regenerative heating, while the maximum pressure is brought to a supercritical value. 2. Тепловой двигатель, содержащий паровой котел, внешний источник тепла, расширительную машину, холодильник-конденсатор, подкачивающий жидкостный насос и систему тепловых генераторов, отличающийся тем, что расширительная машина имеет цилиндро-поршневую конструкцию, выполненную с возможностью подвода тепла в цилиндр от внешнего источника, паровой котел выполнен в виде ресивера пара, а система тепловых регенераторов состоит из двух частей основного регенератора, включенного между цилиндром и котлом через впускной клапан, и дополнительного регенаратора с двумя проточными контурами, один из которых включен между основным регенератором и холодильником-конденсатором через выпускной клапан, а второй между холодильником-конденсатором и котлом через подкачивающий жидкостной насос. 2. A heat engine comprising a steam boiler, an external heat source, an expansion machine, a condenser-condenser, a booster liquid pump and a system of heat generators, characterized in that the expansion machine has a cylinder-piston design configured to supply heat to the cylinder from an external source , the steam boiler is made in the form of a steam receiver, and the system of thermal regenerators consists of two parts of the main regenerator connected between the cylinder and the boiler through the inlet valve, and additionally th regenaratora with two flow path, one of which is connected between the main condenser and the regenerator-condenser through the outlet valve, and the second between the condenser and the boiler-condenser through a liquid booster pump.

Images