СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК F01B29/10 F01K21/04 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в двигателестроении, в частности на транспортных средствах.

Известен способ работы двигателя внешнего сгорания (патент РФ N 2008479, кл. F 02 C 1/04), заключающийся в том, что через входное отверстие в рабочее пространство цилиндра подают нагретое рабочее тело, которое, расширяясь, перемещает поршень, производя механическую работу.

Недостатком этого способа является невысокий коэффициент полезного действия.

Известен тепловой двигатель (патент ФРГ N 4101500, кл. F 01 K 25/06), способ работы которого по технической сущности является наиболее близким к заявляемому. В цилиндрической камере такого двигателя, ограниченной подвижной стенкой, предусмотрена масса испаряемой жидкости в качестве рабочего тела при исходной температуре котла. В первой рабочей фазе объем цилиндрической камеры увеличивается от внутренней мертвой точки через движение подвижной стенки кнаружи до внешней мертвой точки. В нижней мертвой точке движение стенки удерживается на заданный период времени. Вследствие этого должна начаться конденсация переохлажденного пара жидкости, что вызывает внезапное падение давления. Во второй рабочей фазе подвижная стенка движется к внутренней мертвой точке. Охлажденный конденсат подогревается посредством теплообменника до исходной температуры. Рабочее вещество состоит лишь из одного компонента.

Недостатком этого способа является невысокий коэффициент полезного действия и динамика двигателя.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении коэффициента полезного действия двигателя. Более того, предложенное решение позволяет создать экологически чистый двигатель, повысить надежность его работы, снизив при этом стоимость.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе работы двигателя, включающем введение рабочего вещества в закрытую рабочую камеру переменного объема, объем которой в первой рабочей фазе увеличивают, а во второй рабочей фазе уменьшают до исходного объема, объем рабочей камеры в первой рабочей фазе увеличивают до тех пор, пока температура рабочего вещества не достигнет точки росы, характерной для данного рабочего вещества, а во второй рабочей фазе при уменьшении объема рабочей камеры в качестве рабочего вещества используют первую внешнюю среду.

Экологическая чистота работы двигателя обеспечивается за счет того, что в качестве рабочего вещества могут быть использованы экологически чистые вещества, например воздух и пары воды, получаемые, например, в результате поджига топливной смеси на основе водорода H₂ либо иным способом, например нагревом воды.

Заявляемый способ для своего осуществления не предполагает применение предельно высоких температур и давлений, что снижает требования к материалам изготовления рабочей камеры и других деталей двигателя и делает возможным применение более дешевых и более легких материалов (керамика, пластмасса и т. п.). Использование в конструкции двигателя более легких материалов делает его менее инерционным. Надежность двигателя повышается за счет того, что реализация заявляемого способа может быть осуществлена с помощью простой конструкции.

Реализация заявляемого поясняется чертежом.

На чертеже схематически изображен двигатель.

Двигатель содержит камеру 1 переменного объема, например цилиндр с подвижной стенкой 2, которая может перемещаться между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой, выполненной в виде поршня. Подвижная стенка 2 соединена с устройством для снятия работы 3, имеющим, например, маховик (не показан). Камера 1 имеет впускное устройство 4, расположенное у верхней мертвой точки. Впускное устройство 4 предназначено для ввода внутрь рабочей камеры 1 рабочего вещества, в качестве которого используется, например, парогазовая смесь, состоящая из паров воды и воздуха. Механизм впускного устройства 4 должен обеспечивать возможность как кратковременного открытия-закрытия и герметизации впускного окна (не показано), так и режимы работы с заданными моментами срабатывания. Впускное устройство 4 может иметь устройство (не показано), обеспечивающее возможность регулирования потока рабочего вещества, например, путем изменения размера впускного отверстия или времени его открытия и закрытия. Впускное устройство 4 должно обеспечивать необходимый уровень герметизации при закрытии. Впускное устройство 4 может быть выполнено в виде управляемого клапана 5 и обратного клапана 6. В рабочей камере 1 может быть установлено несколько впускных устройств (на чертеже представлен вариант с одним впускным устройством) в зависимости от количества компонент, входящих в состав рабочего вещества и способа их ввода (последовательно через одно или одновременно через несколько).

Рабочая камера 1 имеет также выпускное устройство 7, которых может быть несколько (на чертеже представлен вариант с одним выпускным устройством), предназначенное для кратковременного сообщения внутренней полости рабочей камеры 1 со второй внешней средой, а также может использоваться для отвода из рабочей камеры 1 конденсата. Выпускное устройство 7 может быть представлено любым видом устройств, обеспечивающих кратковременное сообщение между внутренней полостью рабочей камеры 1 и внешней средой, с последующей надежной герметизацией рабочей камеры 1. Например, в качестве выпускного устройства 7 может использоваться выпускное окно, имеющее определенную площадь сечения либо снабженное устройством изменения площади сечения окна или выпускного канала. При этом оно расположено у нижней мертвой точки таким образом, что в момент максимального расширения рабочей камеры 1 оно попадает в зону внутренней полости рабочей камеры 1 и сообщает ее со второй внешней средой. Однако выпускное устройство такой конструкции имеет ограниченное применение. Также может быть использовано выпускное устройство, выполненное в виде клапана с предусмотренной возможностью регулирования момента срабатывания, продолжительности открытого состояния и площади сечения выпускного окна или канала. Такое выпускное устройство может быть размещено в любой части рабочей камеры. В качестве клапана в выпускном устройстве может быть использован обратный клапан, входное отверстие которого, попадая в зону избыточного по сравнению с внешней относительно рабочей камеры средой давления, автоматически осуществляет сообщение внутренней полости рабочей камеры со второй внешней средой до тех пор, пока величина давления рабочего вещества внутри рабочей камеры 1 не станет равной величине давления второй внешней среды, после чего осуществляют герметизацию рабочей камеры 1. Как более универсальное может быть использовано выпускное устройство, выполненное в виде запирающего со стороны рабочей камеры 1 устройства, например управляемого клапана 8, соединенного с обратным клапаном 9. Такое устройство может быть расположено в любой части рабочей камеры 1 и обеспечивает все режимы работы. Расположение впускных и выпускных устройств и их количество определяются конструктивной необходимостью и технологической целесообразностью.

В описываемом варианте реализации способа работы двигателя используется последняя из приведенных выше конструкция выпускного устройства.

Под первой внешней средой понимается среда, расположенная под подвижной стенкой 2 рабочей камеры 1 со стороны нижней мертвой точки. Под второй внешней средой понимается среда, с которой через выпускные устройства 7 осуществляют сообщение внутренней полости рабочей камеры 1.

Способ работы двигателя может быть осуществлен следующим образом. Первоначально подвижная стенка (поршень) 2 находится в верхней мертвой точке, рабочая камера 1 при этом герметична. Объем рабочей камеры 1 минимален. Через впускное устройство 4 в рабочую камеру 1 осуществляется под давлением кратковременный впуск определенного количества рабочего вещества в виде пара или парогазовой смеси, где в качестве пара применяется пар воды, в качестве газа - воздух, либо в предкамеру (не показана) подается топливная смесь на основании водорода H₂, эта смесь поджигается и образовавшийся при этом выхлоп является рабочим веществом. В первой рабочей фазе подвижная стенка 2 перемещается из положения верхней мертвой точки в сторону нижней мертвой точки, увеличивая при этом объем рабочей камеры 1. Сначала движение подвижной стенки 2 осуществляется за счет работы рабочего вещества, например 1/5 часть хода. Давление при этом падает. Затем движение подвижной стенки 2 до нижней мертвой точки осуществляется под воздействием внешней силы, например маховика. Параметры системы выбираются таким образом, что при максимальном значении объема рабочей камеры 1 температура пара достигает точки росы. В значении объема рабочей камеры 1 температура пара достигает точки росы. В определенный момент хода подвижной стенки 2 в первой рабочей фазе срабатывает выпускное устройство 7, через принудительное управление, осуществляемое, например, механически или посредством электромагнитного устройства и т.п., открывается управляемый клапан 8 и автоматически срабатывает обратный клапан 9. При этом происходит сообщение внутренней полости рабочей камеры 1 со второй внешней средой. После того как давление по обе стороны выпускного устройства 7 уравняется, обратный клапан 9 герметично закрывается. Таким образом осуществляют сброс избыточного давления внутри рабочей камеры 1. В результате расширения пара или парогазовой смеси и понижения давления внутри рабочей камеры 1 происходит конденсация пара, что приводит к резкому понижению давления над подвижной стенкой 2, которая в конце своего хода находится в нижней мертвой точке. За счет образовавшейся разности давлений во внутреннем объеме рабочей камеры 1 и под подвижной стенкой 2 во второй рабочей фазе подвижная стенка 2 перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку. При этом совершается механическая работа, а в качестве рабочего вещества выступает первая внешняя среда. На протяжении этой фазы управляемый клапан 8 выпускного устройства 7 может оставаться открытым, что позволяет при достижении подвижной стенкой 2 верхней мертвой точки эвакуировать из рабочей камеры 1 конденсат и/или остатки увлажненного газа через обратный клапан 9 выпускного устройства 7, который в этом случае при наступлении второй рабочей фазы открывают. По окончании второй рабочей фазы выпускное устройство 7 запирается. Цикл повторяется.

Заявляемый способ является универсальным и может использоваться в любых рабочих конструкциях камер переменного объема.

Предложенный способ может быть использован в ротопоршневых двигателях, а также в насосах. При соответствующем управлении двигатель может работать как компрессор, пневмо- или гидродвигатель.

Способ предназначен для использования в энергетике, в частности в двигателестроении, на транспортных средствах. Способ работы двигателя включает введение рабочего вещества в закрытую рабочую камеру переменного объема, объем которой в первой рабочей фазе увеличивают, а во второй рабочей фазе уменьшают до исходного объема, при этом объем рабочей камеры в первой рабочей фазе увеличивают до тех пор, пока температура упомянутого рабочего вещества не достигает точки росы, характерной для данного рабочего вещества, а во второй рабочей фазе при уменьшении объема упомянутой рабочей камеры в качестве рабочего вещества используют первую внешнюю среду. Изобретение обеспечивает повышение КПД, позволяет создать экологически чистый двигатель, повысить надежность его работы, снизив при этом стоимость. Причем способ является универсальным и может использоваться в двигателях с различными камерами переменного объема, например в роторно-поршневых двигателях, а также в насосах. При соответствующем управлении двигатель может работать как компрессор, пневмо- или гидродвигатель. 14 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы двигателя, включающий обеспечение наличия вещества, используемого в качестве рабочего вещества в первой рабочей фазе, в закрытой рабочей камере переменного объема, объем которой в первой рабочей фазе увеличивают, а во второй рабочей фазе уменьшают до исходного объема, отличающийся тем, что объем рабочей камеры в первой рабочей фазе увеличивают до тех пор, пока температура упомянутого рабочего вещества не достигнет точки росы, характерной для данного рабочего вещества, а во второй рабочей фазе при уменьшении объема упомянутой рабочей камеры в качестве рабочего вещества используют первую внешнюю среду. 2. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что при увеличении объема рабочей камеры производят кратковременное сообщение внутренней полости упомянутой рабочей камеры со второй внешней средой, по завершении упомянутого процесса сообщения упомянутую рабочую камеру герметизируют. 3. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества в первой рабочей фазе используют пар. 4. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества в первой рабочей фазе используют парогазовую смесь. 5. Способ работы двигателя по пп.1 и 3, отличающийся тем, что в качестве пара в первой рабочей фазе используют пары воды. 6. Способ работы двигателя по пп.1 и 4, отличающийся тем, что в качестве газа в первой рабочей фазе используют воздух. 7. Способ работы двигателя по пп.1, 3 и 4, отличающийся тем, что пар или парогаз получают в результате поджига топливной смеси на основании водорода H₂, при этом поджиг осуществляют либо внутри рабочей камеры, либо вне ее, в предкамере. 8. Способ работы двигателя по пп.1 и 4, отличающийся тем, что введение пара и газа в рабочую камеру осуществляют совместно. 9. Способ работы двигателя по пп.1 и 4, отличающийся тем, что введение пара и газа в рабочую камеру осуществляют последовательно. 10. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что в качестве первой внешней среды во второй рабочей фазе используют газовую или жидкую среду либо пар или парогазовую смесь. 11. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что введение рабочего вещества в рабочую камеру осуществляют через впускное устройство, снабженное обратным клапаном. 12. Способ работы двигателя по пп.1 и 2, отличающийся тем, что давление второй внешней среды отлично от атмосферного. 13. Способ работы двигателя по пп.1 и 2, отличающийся тем, что давление первой внешней среды не равно давлению второй внешней среды. 14. Способ работы двигателя по пп.1 и 2, отличающийся тем, что первая внешняя среда и вторая внешняя среда имеют одинаковые параметры. 15. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что во второй рабочей фазе осуществляют вытеснение из рабочей камеры через соответствующим образом расположенное внутри упомянутой рабочей камеры выпускное устройство конденсат и/или увлажненные газы.