СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА, ПРИБЛИЖЕННОГО К ИЗОТЕРМИЧЕСКОМУ Российский патент 2001 года по МПК F02B51/00 

1. Название изобретения.

Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому.

2. Область техники, к которой относится изобретение.

Двигатели внутреннего сгорания, преобразующие тепловую энергию сгорания топлива в полезную работу, например, поступательно движущегося поршня с последующим переводом этого движения во вращательное на выходном валу двигателя, которое осуществляется с помощью любых традиционных кинематических механизмов, например, кривошипно-шатунного, реечного, храпового и др.

3. Уровень техники.

Любой процесс преобразования тепловой энергии в полезную работу можно представить в общем виде, состоящим из трех основных функциональных частей:
3.1. Источника потенциальной энергии - вещества, в котором природа запечатала в "холодном" виде частичку своего энергетического потенциала. Это любое твердое, жидкое или газообразное топливо ископаемого происхождения или продукты его целевой технологической переработки.

3.2. Процесса организации перехода потенциальной энергии исходного вещества в кинетическую энергию упругопространственного состояния продуктов реакции, т. е. процесс сгорания топлива соответствующей теплотворной способности с образованием горячих газообразных теплосодержащих продуктов сгорания - рабочего тела.

3.3. Конструктивного механизма, обеспечивающего техническое осуществление функции 2), взаимодействие с упругосиловым полем продуктов реакции тепловыделения и преобразование интеграла этого силового взаимодействия в полезную работу поступательного или вращательного движения движителя.

3.4. Классическая термодинамика трактует, что из всех циклов, осуществляемых в заданном температурном диапазоне T₁-T₂, цикл Карно имеет наивысший термический коэффициент полезного действия η_τ (КПД)
η_τ = 1-T₁/T₂. (1)
Из этого следует общеизвестный вывод о том, что путь повышения эффективности тепловых двигателей и тепловых машин состоит в приближении их реальных циклов к циклу Карно, т.е. необходимость осуществления процессов подвода и отвода тепла изотермически.

Однако на практике подводить и отводить теплоту удобно, а в некоторых случаях только и возможно, при постоянном давлении. Это особенно ясно видно в случае отвода теплоты в окружающую атмосферу, имеющую практически постоянное давление.

В тех случаях, когда рабочее тело претерпевает в процессе цикла фазовые превращения, что имеет место в паросиловых установках ПСУ, подвод или отвод теплоты на тех участках цикла, где рабочее тело находится в виде влажного или перегретого пара, осуществляется изотермически вследствие совпадения условий P=const; T=const.

Теоретически приближение цикла тепловой машины к циклу Карно может осуществляться двумя способами.

Первый - использует механизм фазовых переходов рабочего тела (двухфазные или многофазные) и второй, использующий только однофазное состояние рабочего тела, т. е. газовое, с приближением к изотермическому путем чередующихся порций последовательного подвода теплоты при P=const и последующим адиабатным расширением в небольшом интервале давлений.

Чем больше частота подачи порций теплоты, тем ближе, представляющая собой пилообразную линию, кривая процесса к изотерме.

Теоретические основы классической термодинамики, анализ тенденций и путей оптимизации теплового цикла давно дали ответ на вопрос "что?" надо делать, чтобы коренным образом повысить эффективность теоретического цикла.

Эти тенденции сводятся к необходимости минимизации степени необратимости цикла и работы сжатия рабочего тела, манипуляциям физическими свойствами рабочего тела и к расширению располагаемого температурного интервала, т.е. "наращивание" его вверх и, наконец, рациональная организация процессов регенеративного теплообмена внутри цикла.

Однако на вопрос "как?" технически, комплексно реализовать эти теоретические рекомендации в практике двигателестроения, ответа пока не найдено.

И действительно, можно с уверенностью свидетельствовать, что процесс совершенствования циклов тепловых двигателей за последние 100 лет не содержит координальных решений и состоит из множества частных технических мероприятий и усовершенствований. Уровень основных технических выходных характеристик современных двигателей внутреннего сгорания класса до 250 кВт, представлен в аналитическом обзоре [1, 7], Таблица N 1.

3.5. Двигатели внутреннего сгорания.

Известны тепловые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых функции теплоотдатчика и рабочего тела совмещены. Такие тепловые машины осуществляют преобразование химической энергии топлива в полезную работу в результате управляемых реакций тепловыделения при сгорании топливовоздушной углеводородной смеси в камере сгорания такого двигателя при постоянным объеме (V = const). Например, поршневые или роторные бензиновые ДВС схемы Отто, с воспламенением смеси от электрического источника. Также широко применяется схема Дизеля с воспламенением тяжелых углеводородных топлив, впрыскиваемых в воздух, который нагревается в результате поршневого сжатия в камере сгорания цилиндра двигателя до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива [2].

3.5.1. Эффективность технического использования любой тепловой машины, в частности ДВС, характеризуется величиной эффективного коэффициента полезного действия η_e, который равен произведению коэффициентов полезного действия частных процессов цикла, соответственно, термического η_t, камеры сгорания -η_ce, внутреннего относительного η_oi и механического η_m:
η_e = η_tη_ceη_oiη_m (2)
Основным из всего набора коэффициентов является термический КПД η_t, который для цикла с подводом теплоты при V=const зависит только от величины степени сжатия рабочей смеси в цилиндре ε = V₁/V₂ или, эквивалентно, от степени повышения давления в процессе сжатия смеси β = P₂/P₁, а также показателя адиабаты K = C_p/C_v, где C_p и C_v - теплоемкость топливной смеси при постоянном давлении и объеме, соответственно


где, как показано на фиг. 1:
V₁ - начальный объем цилиндра;
V₂ - объем камеры сгорания;
P₁ - начальное давление в цилиндре;
P₂ - конечное давление в конце сжатия в цилиндре;
K - показатель адиабаты процесса сжатия топливовоздушной смеси в цилиндре;
На фиг. 2 и 3 представлены классические расчетно-теоретические зависимости (по формулам (3) - (4) термического коэффициента полезного действия η_t; η_e= f(ε,k) цикла V=const ДВС, на которых обозначены предельные, ограничительные уровни и области параметров традиционных тепловых двигателей такой схемы.

Можно видеть, что практический диапазон изменения параметров ε, K крайне узок и для дальнейшего повышение η_t более 45-50%, а η_e более 35-45% все возможности энергетики традиционных топлив и термодинамических процессов исчерпаны.

3.5.2. Сочетание средних скоростей перемещения волны горения (скорости тепловыделения) смеси в цилиндре ДВС и перемещения поршня в процессе такта рабочего хода.

Основой для связи этих двух параметров является тот факт, что в любом ударно-волновом процессе (а горение есть волна сжатия малой интенсивности) максимальная эффективность энергопередачи на границе сред газ-поверхность достигается в том случае, если скорость перемещения волны и поршня (поверхности) одного направления и близки по величине, т.е., говоря иными словами, волна сжатия, совпадающая с фронтом распространения волны горения, "сидит" на поршне.

На основе общих соображений можно установить связь между скоростью горения смеси в цилиндре V, величиной рабочего хода поршня S, оборотами коленчатого вала ДВС n:
n = 30•(V/S). (5)
В расчетной таблице (фиг. 4) диапазон выбранных значений V и S примерно соответствует используемому на практике. Меньшие значения скоростей горения соответствуют бензиновым ДВС, большие - дизельным.

При конструировании автомобильных бензиновых карбюраторных двигателей с ориентацией на уменьшение хода поршня и увеличение оборотов вращения приводного вала в принципе означает увеличение частоты рабочих циклов с тенденцией увеличения скоростей сгорания смесей.

В связи с этим дальнейшая миниатюризация конструкции ДВС уже практически выбрана и ограничивается величинами оборотов 5000-9000 об/мин. А такая перспективная тенденция, как увеличение скорости сгорания смеси в камере сгорания двигателя, что определяет степень концентрации энергии и уровень снижения потерь, не может быть реализована, т.к. увеличение скорости горения до сотен, а тем более до тысяч м/сек требует вырождения масс движущихся частей механизма.

Например, для короткоходового ДВС увеличение скорости горения только в два раза, т.е. до 50 м/сек, уже потребует повышения оборотности двигателя до 25-30 тыс. об/мин, что при массах элементов кривошипно-шатунного механизма является вообще технически проблематичным.

К недостаткам принципа действия схемы и конструкции традиционных ДВС нужно отнести также следующее.

3.5.3. Нелогична схема, демонстрируемая на фиг. 5, приложения усилия действующего со стороны поршня на кривошип в окрестности верхней мертвой точки (+0 ~ 15 градусов), которое в этот момент максимально, но приходится в тот же момент на минимальное моментное плечо кривошипа (~ 10-15% радиуса кривошипа). К сожалению, более рациональная фаза максимальных радиусов кривошипа приходится на завершающую стадию падения давления расширенных и отработавших газов.

Поэтому все ДВС имеют низкую характеристику по крутящему моменту в районе малых оборотов, т.е. слабый момент страгивания, выходя на режим расчетного крутящего момента только при оборотах n = 30-50% от n = max.

Для существующих автомобильных ДВС - это ~ 3000-4000 об/мин.

Известно, что стремление повысить качество вентиляции цилиндров при зарядке их свежей смесью привело к созданию четырехтактного цикла ДВС. Однако на осуществление этих двух дополнительных ходов поршня необходимо затратить дополнительную энергию от общего запаса энергии цикла. В связи с этим целесообразно сократить количество вспомогательных тактов в цикле ДВС.

3.5.4. В результате вялой и низкой скорости (15-25 м/сек) протекания реакции горения смеси время релаксации к равновесному состоянию азотных окислов, окиси углерода и других вредных компонентов в составе отработанных продуктов сгорания значительно выше, чем время пребывания отработанных газов в цилиндре.

Поэтому принципиально невозможно в таких условиях обеспечить надежно высокую степень экологической безопасности традиционных ДВС и приходится прибегать к нейтрализации вредоносных компонентов техническими мероприятиями в трактах выхлопной системы двигателя.

3.6. Паросиловая установка.

Известны паросиловые установки (ПСУ) и двигатели схемы Стирлинга, в которых функции теплоотдатчика (продукты сгорания) и рабочего тела (жидкая, паровая или газовая фазы теплоносителя) разделены [2].

К недостаткам паросиловых установок следует отнести:
3.6.1. ПСУ имеет также невысокий термический КПД η_τ < 40% даже для цикла с перегревом пара (цикл Ренкина) в диапазоне достигнутых сегодня температур перегрева до T₂ ~ 600-650^oC и давлений P ~ 150-200 атм.

Эффективный КПД ПСУ существенно ниже η_τ из-за больших потерь тепла в топочно-котельных и коммутационных агрегатах энергетической обработки рабочего тела.

3.6.2. Перспективы развития ПСУ ограничены, т.к. увеличение давления насыщенного водяного пара и его перегрев приводят к значительному утяжелению и удорожанию конструкции ПСУ с целью обеспечения эксплуатационной безопасности. Тем более это обстоятельство сдерживает применение ПСУ для маломасштабных, автономных, мобильных двигателей, например, автомобильных. Однако поршневая паросиловая схема имеет ряд принципиальных преимуществ по сравнению с ДВС:
- подвод и отвод тепла в цикле осуществляется изотермически,
- практически при нулевых оборотах мощность и крутящий момент (момент страгивания) максимальны. В связи с этим в механизме трансмиссии не требуется применение моментного вариационного устройства (коробки передач),
- экологическая чистота и низкая шумность собственно выхлопа,
- простота конструкции и высокая надежность цилиндрово-поршневых подвижных элементов в связи с невысокими температурами рабочего тела.

4. Сущность изобретения.

Способ повышения энергетической эффективности цикла тепловой машины, т. е. термического коэффициента полезного действия η_τ. В основу предлагаемого способа положены самые современные достижения физической науки:
1) закономерности нелинейной физики, изучающей явления и свойства энергообменных процессов в средах с нелинейными свойствами, т.е. в газовой неравновесной плазме [3] , новые способы генерации сильно неравновесной плазмы, способной к рекомбинации на детонационных скоростях,
2) основы термомеханики макро- и микромира - новой теории, обобщающей все виды энергосиловых природных взаимодействий [4].

3) основы геометродинамики, определяющей закономерности пространственно-временных траекторий развития энергообменных природных процессов.

4.1. Известен физико-химический механизм диссоциации насыщенных, устойчивых молекул вещества и переход их в результате эндотермической реакции в неравновесное, с ненасыщенными валентными и ковалентными связями, а также с образованием свободных радикалов, т.е. электрически нейтральных атомов с неустойчивым состоянием электронных оболочек.

Рекомбинация таких элементов в устойчивое первоначальное состояние, например, реакция релаксации атомарного водорода в устойчивую молекулу 2H → H2 сопровождается выделением большого количества тепла в размерах, превышающих примерно в пять раз теплотворную способность молекулярного водорода (равновесного). Наличие в продуктах реакции, например, углеводородного топлива, радикализованной фракции атомарного водорода с концентрацией в пределах около 10% уже выявляет существенное превышение энергетической эффективности такой смеси в сравнении с лучшими из унитарных химических топлив. Однако наивысшая стабильная концентрация свободных водородных радикалов, которую удается реализовать на практике, не превышает 1-2% [5].

4.2. Помимо атомарного водорода имеет место активная радикализация и других составляющих кинетических реакций углеводородов, в частности, с образованием углеводородных монорадикалов C_nH_m (CH, CO, OH и др.).

Особо надо отметить последние достижения в области синтеза углеводородных структур, а именно реакций карбенов-частиц, образующихся в результате разрыва кратных C= C и C=C связей. Такие частицы являются сильно энергетически возбужденными и получили в связи с этим название энергонасыщенных систем - "ЭНС" [6].

4.3. Большую перспективу имеет процесс активации одноатомных инертных газов, которые при определенном воздействии переходят в метастабильное состояние на электронно-протонном уровне и способны при возврате в первоначальное стабильное состояние выделять энергию, в несколько раз превышающую теплотворную способность унитарных топлив.

Например, энергоемкость E реакций восстановления He дает E = 117170 ккал/кг, Ne - 18830 ккал/кг, т.е., соответственно, в ~ 10 и ~ 2 раза выше калорийности унитарного углеводородного топлива.

Обычно традиционно, радикализация молекул осуществляется под действием высоких температур в реакторах "горячего" процесса (пиролизных, электроплазмотронных). Время жизни метастабильных структур мало и составляет мили-микро доли секунды. Поэтому они могут быть получены только в результате мгновенного приложения энергии активации и последующего быстрого охлаждения.

4.4. Автор открыл, обосновал теоретически и экспериментально геометродинамический механизм квантованного взаимодействия тонких неравновесных структур и на основе этого, создал реактор холодной плазмы (РХП) пространственно-временного принципа действия, который позволяет осуществлять управляемую спонтанно развивающуюся эндотермическую реакцию диссоциации в парогазовых однородных реакционноспособных средах (смеси), причем при нормальных атмосферных условиях и с ничтожной величиной энергии активации запуска этого процесса от электроразряда, составляющей только доли процента от выходной мощности плазмогенератора. Фотографии действующих натурных экспериментальных образцов РХП представлены на фиг. 6 - 8.

РХП пространственно-временного принципа действия осуществляет преобразование свежего заряда, например, унитарной топливной смеси (УТС), в топливную квазисмесь (ТКС), например, углеводородно-воздушная, кислородная композиция (например, газовая или жидкостная: бензины, керосины, дизтоплива, сырые нефти, спирты и т.д.). При этом возможно преобразование в плазму как всего, так и части расхода свежего заряда, состоящего из одного компонента или смеси.

Из РХП плазму перепускают в рабочую полость с возможностью ее самовоспламенения циклично, порциями в непрерывно управляемом с помощью электроимпульса частотном режиме, который устанавливается в зависимости от типа устройства, потребляющего ТКС. Например, в интересах ДВС на углеводородно-воздушных парогазовых смесях достаточен диапазон частот 2-500 Гц, в то время как для другого случая применения этот диапазон частот может быть расширен вплоть до ультразвукового уровня.

При этом в зоне, куда поступила ТКС, например, в камеру сгорания ДВС, рекомбинация ТКС протекает объемно, со скоростями детонационного уровня до 1000-3000 м/сек и выше, в зависимости от фазового состояния, смесевого состава и расхода компонентов смеси.

Таким образом, введение с помощью РХП дополнительной стадии преобразования стабильной структуры унитарных, например, углеводородных топлив (УТС), в метастабильное состояние (КТС), в несколько раз увеличивает потенциальное энергосодержание энергоотдатчика (классически - теплоотдатчика), решая проблему энергетики тепловых двигателей качественно новым способом.

Другой возможностью согласно настоящему патенту является прямое, непосредственное преобразование энергии плазмы в электрическую энергию путем организации процесса преобразования стабильной унитарной смеси в метастабильное плазменное состояние при возбуждении более глубокой степени электронной эмиссии в молекулярно-атомно-ионных структурах плазмы. Это достигается соответствующим пространственно-временным геометрическим профилированием рабочей камеры РХП с учетом молекулярной структуры исходного вещества, а также управлением частотой и мощностью активационного электроимпульса.

Возможность осуществления этого процесса технически и составляет основу данного изобретения.

РХП имеет внутриполостную конструктивную конфигурацию и функционирует в соответствии с геометродинамическими пространственно-временными закономерностями, определяющими истинную форму звуковой волны процесса, т.е. форму траекторий частиц в пространстве. Практически это соответствующее профилирование канала, в котором свежую смесь подвергают, по меньшей мере, однократному воздействию путем ее последовательного расширения и сжатия.

Из формулы (3) согласно классической термодинамики параметрами, определяющими энергетическую эффективность цикла, являются степень сжатия ε = V₁/V₂ или, что то же, степень повышения давления в камере сгорания двигателя в процессе сжатия смеси β = P₂/P₁ и показатель адиабаты процесса сжатия K = C_p/C_v.

В принципе процесс сжатия осуществляется с целью а) сокращения длины свободного пробега молекул свежего заряда топливных и окислительных компонентов газовой смеси, находящихся в хаотичном броуновском движении, и б) увеличения количества их кинетических столкновений. При этом молекулы, участвующие во взаимодействии, находятся в устойчивом, насыщенном, неактивном состоянии.

Такая смесь - УТС - содержит, например, стехиометрическое соотношение топлива и окислителя из обычных газовых или жидких унитарных компонентов.

Классический способ сжатия состоит в механическом уменьшении объемного пространства при постоянстве количества заключенного в нем молекулярных N компонентов УТС (N= const. ). Физически - это процесс увеличения плотности газовой среды согласно простого соотношения
ρ = N_const/V_var. (6)
Известно, что величина свободного пробега молекул в газе при нормальных атмосферных условиях лежит в пределах 10^-7-10^-8 см, т.е. одного ангстрема. Следовательно, механическое сжатие смеси в 10-20 раз, например в ДВС, может сократить пространственный масштаб свободного кинетического взаимодействия частиц только в пределах одного порядка величин. При этом по мере приближения к верхнему пределу механической степени сжатия увеличивается число газокинетических столкновений молекул (растет температура смеси), возрастает эффективная площадь реакции, что сопровождается возникновением сначала отдельных центров энерговыделения, которые, множась и накапливаясь, при определенных условиях взрывоподобно переходят в лавинную спонтанную реакцию высокоскоростного, вплоть до детонационного сгорания по всему массиву компонентов смеси. В этом и состоит суть предела детонационной стойкости углеводородного топлива, который наблюдается при функционировании бензиновых ДВС.

Для тепловой машины, использующей топливную квазисмесь (ТКС), уравнения (2) и (3), определяющие связь термического (энергетического) коэффициента полезного действия с показателем адиабаты K и степенью сжатия ε рабочей среды цикла V=const, остаются неизменными.

Согласно термомеханической теории [5] параметр K = C_p/C_v = 2 E/П, где E - кинетическая, а П - потенциальная энергии, является количественной мерой взаимопревращаемости кинетической и потенциальной энергии в волновом адиабатном процессе распространения звука в веществе. В классической термодинамике - этот аналогичный по смысловому содержанию показатель адиабаты адиабатного процесса расширения или сжатия газовой среды без энергообмена ее с внешней средой.

Преобразование в РХП УТС в ТКС означает процесс смещения энергетического состояния вещества (компонентов смеси) в диапазон тонких квантованных структур, что, как известно, имеет тенденцию увеличения показателя K вплоть до K=2.

В условиях постоянства объемного пространства (V=const) эмиссионный процесс холодного плазмообразования сопровождается увеличением количества частиц тонкой структуры, что соответствует увеличению плотности плазмы по сравнению с исходной молекулярный плотностью в сотни и тысячи раз, т.е. на несколько порядков
ρ = (N/h)_var/V_const, (7)
где h - постоянная Планка.

Таким образом, с помощью нового геометродинамического механизма организации внутримолекулярного взаимодействия элементов тонкой структуры вещества, вплоть до уровня 10^-34 Дж/сек, можно управлять глубиной преобразования стабильного состояния вещества в метастабильное с одновременным повышением его энергосодержания, что характеризуется возрастанием параметра K и плотности холодной плазмы ρ, а следовательно, и степени сжатия ε, в широких пределах, осуществляемой теперь уже механизмом внутримолекулярного сжатия.

При этом эффект от традиционного способа механического сжатия становится малоощутимым и перестает быть ограничительным. Возможности способа демонстрируются строгим сравнительным теоретическим расчетом, представленным на фиг. 9, 10 графиком зависимости
η_τ= f(k,ε).
Таким образом, сущность изобретения содержит в себе следующее:
1. В понятийном смысле новые научные подходы, которые, не вступая в противоречие с фундаментальными основами термодинамики и физико-химической кинетической теории горения, а основываясь на них, позволяют обосновать реальность взаимной интеграции широко используемых сегодня практикой двух тепловых циклов, в один цикл, а именно:
- цикл ДВС, в котором однофазное рабочее тело с низкой упругостью молекулярной структуры, совмещающее в себе функции теплоотдатчика и теплоприемника, и
- цикл паросиловой установки, в котором преобразование теплоты в работу осуществляется изотермически, но теплоотдатчик в виде горячих топочных газов и многофазное рабочее тело с высокой упругостью фазового состояния разделены.

В результате осуществления такого симбиоза циклов снимаются все принципиальные понятийные и технические препятствия в осуществлении на практике качественно нового универсального термодинамического цикла, в соответствии с которым процесс преобразования энергии вещества (тепло-энергоотдатчика) в полезную работу уверенно переходит в область энергетической эффективности тепловой машины, например ДВС, свыше 50-70% с последующей системной перспективой совершенствования этого цикла и самих машин сколь угодно близко по эффективности к теоретическому идеальному циклу Карно.

2. В прикладном смысле обоснована возможность технических решений по созданию устройств, например ДВС, которые, будучи оснащенными РХП и системой регулирования частотой детонационного процесса, реализуют энергетику физического процесса спонтанной эндотермической динамической реакции при использовании исходной равновесной реакционноспособной аэрозольной, паровой или газовой смеси из любых вещественных композиций, например, углеводородно-воздушных.

3. Принципиальные и частные решения, в том числе содержащие комбинации общепринятых практикой, в части устройств и их элементов, выполняющих функцию восприятия и интегрирования силового импульса со стороны упругого рабочего тела, а также кинематических механизмов, преобразующих интеграл этого воздействия в потребительское поступательное или вращательное движение. То же можно сказать и по отношению к техническим устройствам, органически обеспечивающим вспомогательные операции при функционировании тепловой машины как энергосиловой установки в целом, например, системы электропитания, приготовления и подачи топливных компонентов, оптимизации управления, запуска и т.д.

Литература
1. Бурячко В.Р. "Состояние и основные направления развития зарубежного двигателестроения", ГАБТУ МО РФ, Санкт-Петербург, 1998 г.

2. Вукалович М.П., Новиков И.И. "Термодинамика", Москва, "Машиностроение", 1972 г.

3. Кернер Б.С., Осипов В.В. "Автосолитоны-локализованные сильно-неравновесные области в однородных диссипативных системах", Москва, "Наука", 1991 г.

4. Горячко И. Г. "Термомеханика макро- и микромира", С-Петербург, Петровская Академия Наук и Искусств, 1997 г.

5. М. Баррер. "Реактивные двигатели", Оборонгиз, Москва, 1962 г., стр. 60-65.

6. Попов В. Т. , Пушкин Р.М., Словецкий и др. "Разработка программного комплекса для численного моделирования энергонасыщенных сред (ЭНС) на базе углеводородных горючих с воздухом", НТО N 9208, НПФ "Простор", г.Красноармейск М.Обл., 1992 г.

7. Сборник научных докладов Международного совещания по использованию энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе. Москва, ИМАШ РАН, 1999 г.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение экономичности за счет повышения термического КПД термодинамического цикла двигателя. Способ осуществляется путем сжатия свежего заряда, подачи его в камеру предварительной обработки, перепуска рабочей смеси в рабочую камеру и расширительную полость, воспламенения, преобразования рабочей смеси и расширения продуктов реакции с целью совершения полезной работы. При этом в качестве камеры предварительной обработки используют плазмотрон холодной плазмы пространственно-временного принципа действия с возможностью образования в нем неравновесной плазмы, способной к рекомбинации на детонационных скоростях процесса. Плазму из плазмотрона перепускают с возможностью ее самовоспламенения в расширительную полость повторяющимися последовательными порциями за время одного цикла расширения, а процесс сгорания осуществляют в режиме объемного взрыва с детонационными скоростями, причем процесс подачи порций плазмы регулируют по частоте повторения циклов пропорционально расходу подаваемой в плазмотрон смеси. 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому, включающий сжатие свежего заряда, подачу его в камеру предварительной обработки, перепуск рабочей смеси в рабочую камеру и расширительную полость, воспламенение, преобразование рабочей смеси и расширение продуктов реакции с целью совершения полезной работы, отличающийся тем, что в качестве камеры предварительной обработки используют плазмотрон холодной плазмы пространственно-временного принципа действия с возможностью образования в нем неравновесной плазмы, способной к рекомбинации на детонационных скоростях процесса, плазму перепускают с возможностью ее самовоспламенения в расширительную полость повторяющимися последовательными порциями за время одного цикла расширения, а процесс сгорания осуществляют в режиме объемного взрыва с детонационными скоростями, причем процесс подачи порций плазмы регулируют по частоте. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одну часть свежего заряда направляют в рабочую камеру, а другую часть свежего заряда подают в плазмотрон, после чего смешивают часть свежего заряда с неравновесной плазмой с образованием рабочей смеси. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для образования холодной плазмы используют эндотермическую реакцию газовой смеси поступившего в плазмотрон заряда, управление реакцией осуществляют путем геометрического профилирования канала, по которому движется плазма, а при движении потока плазмы ее подвергают, по меньшей мере, однократному воздействию путем ее последовательного расширения и сжатия.