Изобретение относится к двигателестроению, в частности к усовершенствованию термодинамического цикла как способа работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) за счет особых рабочих процессов с использованием кинетической энергии выхлопных газов, сопровождающихся прочими рабочими процессами энергетического разделения в вихревой камере как устройстве термодинамического преобразования и обезвреживания выхлопных газов.
Известен термодинамический цикл А.Адельшина для двигателя внутреннего сгорания без наддува и двигатель внутреннего сгорания, работающий по данному циклу [1]. Он представляет собой расширенный термодинамический цикл С.Карно. И основан на том, что в коллекторе за выпускным клапаном создан вакуум. Последнее обуславливает ускоренное истечение отработавших газов из камеры сгорания с созданием в последней глубокого вакуума. Такое разряжение приводит к принудительному подъему поршня из положения НМТ к ВМТ, т.е. производится дополнительная полезная работа по вращению коленчатого вала. При этом происходит охлаждение стенок цилиндра и поступление неподогретого свежего заряда на высокой скорости. Отсутствие отработавших остаточных газов в камере сгорания повышает коэффициент наполнения. Вакуум создается за счет истечения отработавших газов со сверхзвуковыми скоростями, определенными прохождением через сверхзвуковое сопло.
К недостаткам данного способа работы можно отнести несовершенство в отношении агрегатного состояния рабочего тела в зависимости от режимов работы и соответствующих основных термодинамических параметров, а также сложности создания устойчивого состояния вакуума при помощи указанного в данной заявке двигателя.
Известен также принятый за прототип двигатель внутреннего сгорания [2]. Двигатель содержит корпус с цилиндропоршневой группой, органы газообмена и выпускной коллектор и снабжен вихревым эжектором и дополнительными органами газообмена в виде выпускных клапанов, соединенных трубопроводом с пассивным соплом вихревого эжектора, активное сопло которого соединено с выпускным коллектором. В результате этого цилиндры двигателя через выпускные клапаны подключены к источнику разряжения в виде вихревого эжектора. Кроме того, дополнительные выпускные клапаны соединены трубопроводом с приосевой зоной камеры смешения вихревого эжектора. Также размещение вихревого эжектора между радиатором охлаждения двигателя и двигателем обеспечивает засасывание окружающей среды эжектором через радиатор и охлаждение теплоносителя в этой системе.
Предлагаемое техническое решение обладает новыми свойствами - удаление отработавших газов из цилиндра до подачи воздуха в него, отсутствие перекрытия клапанов впускных и выпускных, отсутствие продувки цилиндра воздухом, увеличение скорости удаления отработавших газов и впуска воздуха в цилиндр, уменьшение работы по удалению отработавших газов из цилиндра, увеличение работы расширения, полноты удаления отработавших газов из эффективного объема цилиндра, улучшение экологической характеристики двигателей, шумоподавление и использование вихревого эжектора для охлаждения двигателя, обеспечивает существенное увеличение мощности двигателя, повышение экономичности и коэффициента полезного действия, а также уменьшение выбросов токсичных веществ в окружающую среду.
К недостаткам данного двигателя надо отнести сложность выхода вихревого эжектора как основного рабочего органа системы на постоянный автомодельный режим при цикличном выхлопе ДВС. Также не определены агрегатные состояния рабочего тела и его основные термодинамические характеристики. Связи с чем при работе реального ДВС ряд отличительных положительных результатов, видимо, трудно достижим.
Целью изобретения является увеличение коэффициента полезного действия ДВС, увеличение эксплуатационных и улучшение экологических параметров ДВС.
Достигается указанный технический эффект согласно изобретению тем, что способ работы двигателя внутреннего сгорания, представляющий замкнутый термодинамический цикл, содержащий циклы изохорного, изобарного подвода тепла при сгорании топливовоздушной смеси, адиабатного расширения сгоревших газов, изохорного отвода тепла в момент их выхлопа из ДВС и адиабатного сжатия нового свежего заряда, заключающийся в том, что в ДВС с вихревой камерой энергоразделения, объединными в единую взаимозависимую термодинамическую систему с единым замкнутым объемом, выхлопные газы выпускают в вихревую камеру, где последовательно разделяют газовый поток на холодный приосевой с низким давлением и горячий вихревой с высоким давлением, в котором значительно нагревают выхлопные газы и осуществляют значительные необратимые физико-химические преобразования, с возможностью агрегатно-фазового перехода их химически составляющих элементов в состояние слабоионизированного газа; компенсируют и значительно охлаждают оставшийся горячий вихревой поток при помощи холодного приосевого потока с преобразованием общих термодинамических и физико-химических параметров выхлопных газов с возможностью агрегатно-фазового перехода их химически составляющих элементов в состояние жидкости, с последующим отводом ее в дренаж; конденсируют выхлопные газы и получают в замкнутом объеме единой термодинамической системы значительный по модулю, длительный по времени действия вакуум и совершают дополнительный положительный рабочий ход машиной расширения ДВС как вакуумным двигателем.
По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что выхлопные газы нагревают с возможностью частичной ионизации их химически составляющих элементов.
По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что выхлопные газы нагревают без возможности ионизации их химически составляющих элементов.
По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что выхлопные газы охлаждают с возможностью частичной конденсации их химически составляющих элементов.
Для достижения указанного технического эффекта применительно к известной из уровня техники конструкции ДВС, содержащей машину объемного расширения, сообщенную с вихревой камерой энергоразделения, предпочтительно согласно изобретению выполнить конструкцию ДВС так, что машина объемного расширения ДВС и вихревая камера энергоразделения образуют единый замкнутый объем, с едиными взаимозависимыми термодинамическими параметрами, с возможностью создания в этом объеме значительного по модулю, длительного по времени действия вакуума.
По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что он снабжен дренажной системой для отвода отработавшего сконденсированного рабочего тела ДВС.
По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что он дополнительно снабжен системой для отвода несконденсировавшейся газовой составляющей отработавшего рабочего тела ДВС.
По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что вихревая камера энергоразделения состоит из последовательно установленных вихревых камер энергоразделения, составляющих взаимозависимую термодинамическую систему.
По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что вихревая камера энергоразделения состоит из параллельно установленных вихревых камер энергоразделения, составляющих взаимозависимую термодинамическую систему.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточных для достижения указанного технического эффекта.
С целью пояснения физической природы предлагаемого способа работы как цикличного термодинамического процесса необходимо определить физические параметры и их зависимости. Так основными термодинамическими параметрами для определенного рабочего тела (газа) являются температура, объем и давление. Температура характеризует тепловое состояние тела. Тепло может самопроизвольно переходить лишь от более нагретых тел к менее нагретым. Таким образом, температуры тел определяют направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами. Абсолютное давление представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности. Удельный объем вещества представляет собой объем, занимаемый единицей плотности вещества.
При отсутствии внешних воздействий на систему состояние чистого вещества однозначно определено, если заданы два независимых параметра. Любой другой параметр является однозначной функцией двух заданных параметров. Для каждого вещества характер функциональной связи между давлением, объемом и температурой индивидуален. Любые три параметра состояния однозначно связаны между собой.
Если хотя бы один из параметров состояния меняется, происходит термодинамический процесс, представляющий совокупность изменяющихся состояний системы. Неравновесным называется процесс, при протекании которого система не находится в состоянии равновесия (т.е. различные части системы имеют различные температуры, давления, плотности, концентрации и т.д.). Любой реальный процесс является в большей или меньшей степени неравновесным (выдержки со стр.6-11 из [3]).
Изопроцессами называются термодинамические процессы, протекающие в системе с неизменной массой при постоянном значении одного из параметров состояния системы. Изохорическим (изохорным) процессом называется термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме системы. Изохорный процесс в идеальном газе описывается законом Шарля: при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его абсолютной температуре. Изобарическим (изобарным) называется процесс, при котором давление сохраняется постоянным. Для изобарного процесса в идеальном газе справедлив закон Гей-Люссака: при настоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре. Изотермическим (изотермным) называется термодинамический процесс, протекающий при неизменной температуре. Изотермический процесс в идеальном газе подчиняется закону Бойля-Мариотта: для данной массы газа при неизменной температуре произведение численных значений давления и объема есть величина постоянная. Адиабатическим (адиабатным) процессом называется термодинамический процесс, который осуществляется в системе без теплообмена ее с внешними телами (выдержки со стр.88-90 из [4]).
Также из технической термодинамики известно, что вещества обычно пребывают в одном из трех основных агрегатных состояний: в виде газа, жидкости или твердого тела. Также существует четвертое состояние - ионизированный газ или плазма. Очевидно, что одно и то же тело (вещество) при разных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях в зависимости от основных термодинамических параметров, которыми являются абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем (плотность) тела.
Фазовым переходом называется переход вещества из одной фазы в другую, сосуществующую с первой. Говоря о фазах чистого вещества, обычно имеют в виду агрегатные состояния вещества и поэтому говорят о газовой, жидкой и твердой фазах. Вещество в различных агрегатных состояниях имеет различные физические свойства, и частности плотность. Это различие объясняется характером межмоллекулярного взаимодействия. Принята следующая классификация точек фазового перехода: точка перехода "жидкость - пар" называется точкой кипения (она же точка конденсации), точка перехода "твердое тело - жидкость" называется точкой плавления (она же точкой затвердевания), а точка перехода "твердое тело - пар" называется точкой сублимации (выдержки со стр. 135-136 из [3]).
Таким образом, при надлежащем соотношении давления и температуры существование газообразной фазы данного количества рабочего тела ДВС возможно от точки твердой фазы, жидкостной фазы, газообразной фазы и до точки фазы слабоионизированного газа. При значительном разогреве газа происходят последовательно процессы его диссоциации с последующим распадом межмоллекулярных связей на ионы, его ионизацией. Данный процесс возможен при значительных температурах и давлениях. В общем случае для рабочего тела ДВС - это верхняя граница агрегатно-фазового перехода "газ - слабоионизированный газ". Данное состояние сопровождается значительными физико-химическими необратимыми преобразованиями рабочего тела ДВС, т.е. выхлопного газа.
При значительном охлаждении данной массы рабочего тела происходит явление перехода фазы "жидкость - пар", т.е. конденсация. Конденсация возможна при значительном уменьшении температуры, и соответственно учитывая, как правило, линейную зависимость, вызывает значительное уменьшение давления в некотором объеме. Также возможно охлаждение и до твердой фазы, но учитывая, что жидкости трудно сжимаемы, а вода, например, вообще увеличивает объем при переходе в лед, то данное состояние мало пригодно для осуществления предлагаемого способа работы.
Таким образом, физическая сущность предлагаемого способа работы состоит в том, что в некотором параметрально определенном, замкнутом объеме V (или условно замкнутом) при охлаждении до некоторой температуры Т некоторой условной массы газа m как рабочего термодинамического тела происходит линейное снижение давления р в данном объеме V. При некотором снижении температуры происходит конденсация и переход рабочего тела, газа, в другое агрегатное состояние, в жидкость, со значительным уменьшением давления в данном объеме. Вплоть до состояния устойчивого, длительного по времени существования вакуума. И если к данному объему конструктивно присоединена машина объемного расширения, то она способна совершить некоторый положительный рабочий ход, типично как вакуумный двигатель.
Последовательно, данный физический эффект согласно изобретению достигается путем использования способа последовательного цикличного преобразования выхлопных газов ДВС (рабочего тела ДВС) и его термодинамических параметров в результате его энергетического разделения в вихревых энергоразделительных камерах на основе эффекта Ранка. Конструктивно это достигается использованием вихревой камеры энергетического разделения совместно с ДВС в единой термодинамической системе, взаимозависимой по основным параметрам. При этом с такими взаимозависимыми термодинамическими параметрами относительно термодинамических параметров рабочего тела ДВС и параметров ДВС, что достигается новый наилучший качественный эффект - эффект энергетического разделения газа как рабочего тела ДВС. Следует понимать, что достижение заявляемого технического результата возможно только при соответствующих параметрах и рабочих настройках данной единой термодинамической системы. Термодинамические, конструктивные параметры единой термодинамической системы являются расчетными, оригинальными для каждого технического варианта исполнения. Этим и достигается энергетическое разделение выхлопного газа, компенсация потоков, их охлаждение, конденсация и создание в едином объеме вакуума, как последовательная новая совокупность технических признаков, необходимых для достижения наилучшего результата.
С целью пояснения физической природы основного рабочего эффекта надо пояснить. Вихревой эффект, или эффект Ранка, представляет сложный газодинамический процесс, происходящий в пространственном турболентном потоке вязкого сжимаемого газа.
"Основываясь на экспериментальных данных, сущность эффекта Ранка можно изложить следующим образом. Сжатый газ, вытекая через тангенциальное сопло в гладкую трубу с большой скоростью, образует интенсивный вихрь. Под действием центробежных сил частички газа не могут переместиться к центру трубы, они движутся, вращаясь около стенок, и выходят в атмосферу через вентиль. В центре вращающегося газа образуется вакуум, и воздух через диафрагму засасывается из атмосферы. Если прикрывать вентиль, то давление внутри трубы будет повышаться, подсасывание атмосферного воздуха прекратиться. При дальнейшем прикрытии вентиля часть газового потока перед вентилем будет "переходить на меньший радиус", двигаясь к диафрагме и через нее вытекать в атмосферу. При переходе с "большего радиуса на меньший" согласно закону сохранения момента количества движения окружная скорость должна возрасти так, чтобы ее произведение на радиус осталось неизменным: Vqr=const.
Таким образом, чем ближе к центру трубы будет перемещаться струйка газа, тем большую скорость она будет иметь. Так как реальный газ обладает вязкостью, то каждая струйка будет тормозить соседнюю, находящуюся ближе к центру, и отнимать у нее энергию. Вследствие этого в вихревом потоке произойдет передача энергии от оси к периферии, поэтому энергия периферийных слоев газа будет расти, осевых - падать. После передачи избыточной энергии осевые слои газа станут вращаться почти по закону твердого тела. В то же время из-за снижения статической температуры струек по направлению к оси будет наблюдаться передача тепла теплопроводностью газа. Передача энергии от осевых слоев газа к периферийным происходит на некоторой длине трубы. Чем большую энергию нужно отобрать от осевых слоев газа, тем больше должна быть длина вихревой зоны трубы" (согласно гипотезе В.И.Кузнецова из [5]).
Последовательно, в результате этого в процессе энергетического разделения газа в вихревом потоке с ним происходят необратимые физико-химические преобразования в результате воздействия высоких температур, увеличения давления и объема в зоне вихревого потока.
Для пояснения данного обоснования надо определить, чем является рабочее тело ДВС. По существу это смесь газов. При этом согласно закону Дальтона каждый отдельный газ в газовой смеси ведет себя так, как будто он один при температуре смеси занимает весь объем смеси. Иными словами, каждый отдельный газ, входящий в газовую смесь, имеет такое давление, какое он имел бы, если бы он один занимал весь объем газовой смеси. Это давление называется парциальным давлением (выдержка со стр. 20 из [3]).
Выхлопные газы ДВС как рабочее тело являются сложной нестационарной физико-химической системой с динамически изменяемыми во времени, термодинамическими и химическими параметрами. На данном уровне развития техники не существует четкой физико-математической модели расчета данной термодинамической системы в динамике расширения и на практике при проектировании выпускных систем и глушителей, как правило, применяют эмпирические методы, исходя из потребностей объекта конструирования.
Также кроме продуктов полного сгорания - углекислого газа и паров воды в выпускных газах ДВС содержатся вещества, обладающие токсическим действием. Это продукты неполного сгорания топлива: окись углерода СО, углеводороды различного состава и строения СН, в том числе пары несгоревшего топлива, сажа, а также окислы азота воздуха NOx, образующиеся при высоких температурах в процессе сгорания.
Окись углерода СО образуется при горении богатой смеси вследствие недостатка кислорода для полного окисления топлива. Образование углеводородов СН связано с замедлением и даже полным прекращением реакций окисления в тонком пристенном слое топливовоздушной смеси в камере сгорания. Интенсивная теплоотдача от газа в стенки настолько снижает скорость горения, что топливо не успевает догорать. Азот, химически инертный при атмосферных условиях, при высокой температуре реагирует с кислородом. Реакция протекает довольно быстро при температуре, большей 2300 К, причем образуется в основном окись азота. В атмосферном воздухе происходит медленное окисление NO в двуокись азота NО2, токсичность которой значительно выше токсичности NO (выдержки со стр. 36-37 из [6]).
Из (со стр. 40-49 из [7]) известно про реакции окисления топлив. Соотношение между количеством исходных продуктов (топливо плюс воздух) и продуктов сгорания может быть найдено из уравнений химических реакций при следующих допущениях: все химические соединения состоят из атомов отдельных элементов, связанных между собой в определенных численных соотношениях; при химических реакциях атомы сохраняют свою индивидуальность и происходит только их перегруппировка.
Полное окисление (сгорание) молекулы СхНу до конечных продуктов (диоксида углерода СO2 и водяного пара H2O) описывается уравнением (исходные данные и конечные продукты реакции даны в кмолях):
СхНу+(х+у/4)O2=хСO2+у/2Н2О
(далее формулы и их разъяснение со стр. 40).
Минимальное количество кмолей кислорода Lo, необходимое для полного сгорания топлива и определяемое на основании данного уравнения, называется стехиометрическим.
Если количество кислорода меньше, то окисление будет неполным. При неполном окислении (сгорании) часть углерода окисляется лишь до СО (оксид углерода), а часть водорода не сгорает вообще.
С уменьшением количества кислорода в ТВС (топливовоздушной смеси) в продуктах сгорания будет увеличиваться содержание СО и Н2 и уменьшатся содержание H2O и СО2. При доле углерода, окислившегося до СО, равном доле несгоревшего водорода, в продуктах сгорания будут содержаться только оксид углерода СО и несгоревший водород H2.
Объемы исходных компонентов и продуктов сгорания могут отличаться из-за разницы числа кмолей свежего заряда M1 и продуктов сгорания М2.
При полном сгорании приращение числа кмолей и увеличение объема продуктов сгорания происходят только из-за окисления водорода и образования из одной молекулы О2 двух молекул Н2О (см. уравнение). При неполном сгорании прирост объема больше, так как кроме окисления Н2 в Н2О (одна молекула O2 - две молекулы H2O) происходит неполное окисление С в СО (одна молекула O2 - две молекулы СО).
Для осуществления рабочего цикла существенное значение имеют такие свойства топлив, как теплота сгорания и испарения, теплоемкость, теплопроводность и др. Из них наиболее важной является теплота сгорания. Горение топлива относится к экзотермической реакции, т.е. идет с выделением теплоты. Теплотой сгорания называют тепловой эффект реакций, идущих с образованием СO2 и Н2О. Так как вода в продуктах сгорания может находится в парообразном и жидком состоянии, то вводят соответственно низшую Ни и высшую Нв теплоту сгорания, разность между которыми равна скрытой теплоте парообразования воды; Ни = Нв - 2,512 М H2O.
В поршневых ДВС и газовых турбинах продукты сгорания не охлаждаются до температуры, при которой происходит конденсация водяного пара, поэтому в расчетах принимают низшую теплоту сгорания Ни.
В двигателях с внешним смесеобразованием избыток воздуха, соответствующий окислению всего топлива до СО, практически никогда не имеет место, поэтому углерод в продуктах сгорания отсутствует. В дизелях условия смесеобразования таковы, что есть зоны, где данный избыток воздуха больше, и в процессе сгорания может образовываться несгоревший углерод.
Также при высоких температурах продукты сгорания разлагаются на более простые составные части. Этот процесс называется термической диссоциацией, он идет с поглощением теплоты.
Например, диссоциация СO2 и Н2О описывается следующим образом:
Теплота диссоциации возвращается (рекомбинация) при снижении температуры на линии расширения (выдержки со стр. 72 из [7]).
Безусловно, приведенный пример химического взаимодействия достаточно условен. Так как существует ряд других продуктов сгорания (оксиды азота и серы, несгоревшие углеводороды, оксиды свинца и др.). Они не учитываются в энергетических расчетах, но оказывают существенное воздействие на экологические характеристики. Таким образом, устранение данных вредных продуктов сгорания возможно в процессе из термического преобразования в зоне вихря. Вплоть до возможности ионизации и последующей рекомбинации.
Также "При достаточно высокой температуре, когда энергия теплового движения атомов (молекул) велика, они могут ионизировать друг друга за счет кинетической энергии сталкивающихся частиц - происходит термическая ионизация. Значительной интенсивности она достигает, начиная с температур ~ 1000-10000 К, например в дуговом разряде, ударных волнах, в звездных атмосферах. Степень термической ионизации газа как функция его температуры и давления оценивается Саха формулой для слабоионизированного газа в состоянии термодинамического равновесия.
...Процессом, обратным ионизации, является рекомбинация ионов и электронов - образование из них нейтральных атомов и молекул. Защищенный от внешних воздействий газ при обычных температурах в результате рекомбинации очень быстро переходит в состояние, в котором степень его ионизации пренебрежимо мала. Поэтому поддержание заметной ионизации в газе возможно лишь при действии внешнего ионизатора (потоки частиц фотонов, нагревание до высокой температуры). При повышении степени ионизации ионизированный газ превращается в плазму, резко отличающуюся по своим свойствам от газа нейтральных частиц" (со стр. 229-230 из [8]).
Действительно, при высоких температурах в одноатомном газе происходит процесс термической ионизации - отрыв электронов с внешней электронной оболочки атома. В результате этого процесса образуется смесь отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных ионов и электрически нейтральных атомов. Эта смесь электрически заряженных и нейтральных частиц является электропроводной. Состав этой смеси определяется давлением и температурой смеси. Следует понимать, что ионизация идет лишь в начальной зоне вихря и по времени занимает малый промежуток до рекомбинации и конденсации. Поэтому на детали ДВС такие температуры оказывают незначительные воздействия.
Также надо отметить, что прохождение газов через вихревое сопло вихревой камеры также сопряжено со значительными изменениями. Так, изменение сверхзвукового потока в суживающемся канале вихревого сопла сопровождается рядом скачков уплотнения внутри канала, которые вызывают заметные изменения в термодинамических параметрах рабочего тела.
Согласно изобретению существуют также и пограничные температурные состояния. Так, один из вариантов осуществления способа работы состоит в том, что температура нагрева является достаточной для нагрева до ионизации только части химических составляющих газа. Этот режим является термически переходным, и в рассчитанной термодинамической системе "ДВС - вихревая камера" может возникать только на ряде режимов работы ДВС, например при прогреве. По другому варианту осуществления нагрев осуществляют без возможности ионизации. Оба эти режима являются режимами конкретного технического варианта изготовления двигателя. Они могут быть как переходными при его работе, так и самостоятельными рабочими режимами для конкретного варианта ДВС. Вместе с тем надо учитывать, что физико-химические процессы преобразования над выхлопным газом могут идти в каждом из режимов с некоторыми отклонениями. То есть, для одной и той же реакции химических составляющих рабочего тела ДВС состояние равновесия химической реакции зависит от ряда условий и прежде всего от температуры.
Таким образом, при значительном нагреве рабочего тела в вихревой камере энергетического разделения в зоне вихря с химическими составляющими элементами газовой смеси происходят значительные необратимые термохимические окислительные реакции, реакции диссоциации и ионизации, сопровождающиеся значительными физико-химическими изменениями выхлопных газов ДВС как рабочего тела общей термодинамической системы.
В результате этого в зоне высоких температур изменяются основные физико-химические и термодинамические параметры выхлопного газа как основного рабочего тела ДВС.
Последовательно, в результате этого в приосевой зоне вихревой камеры энергетического разделения возникает приосевой поток, имеющий низкую температуру и давление. При расширении вихревого потока, наступает момент его торможения приосевым потоком, сопровождающийся их взаимной компенсацией и выравниванием их общих термодинамических параметров. Потоки компенсируются и общее рабочее тело охлаждается.
Следует отметить, что осевой, центральный поток образуется в результате сложного газодинамического эффекта разделения в вихревой камере. Этот поток изначально имеет давление значительно меньшее, чем атмосферное. Имеет значительно более низкую температуру, вплоть до области температур, близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина.
Так, из (выдержки со стр. 188-190 из [9]) известно, что "циклы вихревых труб являются, как правило, разрывными, т.е. процесс сжатия рабочего тела отделен от процесса температурного разделения, в результате которого образуется холодный поток, используемый для целей охлаждения.
Процесс температурного разделения воздуха в вихревой трубе (рис. V-9) может быть упрощенно представлен в S, Т-диаграмме;
1 - точка, характеризующая начальное состояние воздуха перед соплом при температуре Т=То.ср. и давлении р;
2 и 3 - точки, характеризующие состояние холодного и горячего воздуха после процесса разделения в вихревой трубе;
4 - точка, характеризующая состояние воздуха, засасываемого в компрессор.
Цикл состоит из процессов 1-2 и 1-3, совершающихся одновременно в вихревой трубе, изобарных процессов 2-4 и 3-4 и процесса сжатия 4-1 в изотермическом компрессоре. При адиабатном сжатии в компрессоре вместо процесса 4-1 следует рассматривать процессы 4-5 и 5-1.
Поток воздуха, поступающий тангенциально к внутренней поверхности трубы, совершает вращательное движение по отношению к оси трубы. Периферийная часть образовавшегося вихревого потока перемещается по горячему концу 3 (рис. V-10) к дросселю 4, где часть потока выводится из трубы по кольцевой щели при температуре Тг. Остальная часть воздушного потока движется по центральной части трубы противотоком к периферийному потоку и выводится через отверстие 1 диафрагмы при температуре Тх. Энергообмен между центральной и периферийной частями вихревого потока характеризуется существенной необратимостью, поэтому процесс расширения холодного потока воздуха изображается не изоэнтропой (1-2, см. рис. V-1), а необратимой политропой 1-2)."
Таким образом, внутри вихревой камеры энергетического разделения происходят сложные необратимые процессы. Более того, существенное значение на термодинамику вихревой камеры имеет тот факт, что процесс выхлопа, как правило, исходя из цикличности работы основного типа ДВС, также является цикличным. То есть, рабочее тело имеет четко определенные единичные параметры массы, температуры, давления и т.д. И все возможные преобразования над данной единицей рабочего тела происходят за один цикл. За этот цикл с данным рабочим телом совершаются последовательные изменения, которые являются необратимыми и преобразующими рабочее тело.
Следует отметить, что вихревая камера энергетического разделения, применяемая на данном цикличном типе двигателя, в наиболее простом варианте является самовакуумирующейся. То есть, используемой для получения минимальных температур внутри самой трубы, работающей, как правило, без отвода холодного потока (самовакуумирующиеся вихревые трубы, где М=0) (согласно стр. 188 из [9]). Также следует понимать, что наиболее известные из уровня техники вихревые камеры энергоразделения - это холодильные вихревые машины, в которых постоянно подается сжатый воздух при постоянном давлении и есть постоянный автомодельный режим.
В данном же случае вихревая камера работает в сложном и малоизученном на данном периоде экспериментальных исследований режиме. Это цикличный самовакуумирующийся автомодельный режим. Исходя из этого, в упрощенном варианте его можно представить следующим образом.
Вначале происходит процесс создания вихревого потока. Так, исходя из примера поршневого ДВС, выхлопной газ истекает на докритических скоростях (600-800 м/с) в вихревое сопло камеры, где дросселируется и разогревается. При этом изменяются его основные термодинамические параметры, в частности температура и скорость истечения. Можно утверждать возможность существования гиперзвукового течения газа в первичной зоне вихря. Собственно, в этой зоне и осуществляется значительный разогрев рабочего тела ДВС. Далее, образовав вихрь и интенсивно вращаясь вдоль стенок камеры, данная порция газа расширяется и теряет свои скорость, температуру и давление. При этом наступает момент, когда весь (или почти весь) выхлопной газ из цилиндра попадает в вихревую камеру. То есть, вся масса газа за конкретный единичный цикл выхлопа истекает из цилиндра. В цилиндре образуется некоторое разрежение как следствие волнового процесса истечения. При этом дальнейшего истечения газа из цилиндра нет. Порцию газа внутри вихревой камеры ничто не подталкивает и ее течение в какой-то промежуток времени еще идет по инерции. В этот временной период в приосевой зоне уже существует приосевой поток, имеющий низкую температуру и низкое давление, вплоть до значительного вакуума. Далее происходит процесс, при котором данный приосевой поток одновременно проникает в цилиндр и одновременно тормозит вихревой поток. Образно, он как бы подсасывает его обратно. В результате этого вихревой поток полностью останавливается и компенсируется, т.е. давление и температура потоков выравниваются в едином объеме. Так, в общем случае, и происходит данный сложный термодинамический процесс по выравниванию давления, температуры в данном общем объеме вихревой камеры и машины расширения ДВС. При этом все последовательные процессы протекают во времени очень быстро. Эти процессы протекают на одном этапе в едином замкнутом объеме, т.е. как изохорические. И на другом этапе с выравниванием давлений, т.е. как изобарические.
Безусловно, данный процесс малоизучен на данном уровне техники. Вместе с тем, можно утверждать, что в цикличной самовакуумирующейся вихревой камере энергетического разделения существует процесс взаимной компенсации термодинамических параметров выхлопного газа в вихревом потоке при воздействии на него приосевого потока.
Последовательно, в результате этого при взаимной компенсации потоков достигается быстрое и значительное охлаждение рабочего тела ДВС. В результате этого с рабочим телом ДВС происходят термодинамические процессы, связанные с воздействием низких температур, с возможностью конденсации выхлопных газов ДВС, либо части их химически составляющих элементов.
Так, из (со стр. 100-101 из [8]): "Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления р и температуры Т. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных р-Т ( в р-Т диаграмме, рис.1). При Т ниже критической Тк эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки) 1 и парообразования 2. Это означает, что при любом р ниже критического ркр существует температура Т, определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. При температурах ниже температуры тройной точки Тр газ может находиться в равновесии с твердой фазой вещества (на кривой 1), а между тройной и критической точкой К - с жидкой фазой. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.
При Т ниже Тк можно сконденсировать газ - перевести его в другое агрегатное состояние (твердое или жидкое), например повышая давление.
При Т > Тк граница газообразной области условна, поскольку при этих Т фазовые превращения не происходят. Иногда за условную границу между газом и жидкостью при сверхкритических Т и р принимают критическую изохору вещества (рис. 1), в непосредственной близости от которой свойства вещества изменяются, хотя и не скачком, но особенно быстро.
В связи с тем, что область газового состояния очень обширна, свойства газа при изменении Т и р могут меняться в широких пределах...".
Также "уже давно было известно, что ряд веществ, находящихся при комнатных температурах в газообразном состоянии, удается перевести в жидкое состояние путем повышения давления, т.е. сжатия, при постоянной температуре. Физика этого изотермического (Т=const) процесса ясна: вначале газ сжимается; после того как давление газа достигнет величины р, равной давлению насыщения этого газа при данной температуре Т, начинается конденсация газа. После того как процесс конденсации закончится (т.е. весь газ превратиться в жидкость), дальнейшее сжатие будет приводить к увеличению давления жидкости; при этом из-за малой сжимаемости жидкости значительное увеличение давления будет приводить к весьма малому уменьшению удельного объема.
Таким способом можно, например, при комнатной температуре ожижить углекислый газ. На рис. 6-10 представлена зависимость, связывающая объем V и давление р для углекислоты при температуре Т=20oС. Удельный объем углекислоты при температуре 20oС и давлении 98 кПа (1 кгс/см2) равен 561,8 см3/г (точка 1 на рис. 6-10). В процессе сжатия удельный объем сильно уменьшается. После того как давление станет равным 5733 кПа (58,46 кгс/см2), т.е. давление насыщения углекислоты при температуре 20oС (точка 2), начинается процесс конденсации углекислого газа; при этом удельный объем углекислого газа V= 5,258 см3/г. Как известно (см. пар. 5-5), этот изотермический процесс является в то же время и изобарным, поэтому участок изотермы, соответствующий фазовому переходу, расположен в р, V-диаграмме горизонтально. После того как процесс конденсации завершится, удельный объем насыщенной жидкости (точка 3) V будет равен 1,258 см3/г. При дальнейшем сжатии жидкой фазы ее объем, как уже отмечалось выше, изменяется весьма слабо; например, при давлении 9807 кПа (100 кгс/см2) удельный объем жидкой углекислоты V составит 1,18 см3/г (точка 4).
При уменьшении давления, действующего на жидкость, вещество пройдет те же самые состояния в обратном порядке; оно расширится до точки кипения, произойдет испарение, а затем получившийся пар будет расширяться до атмосферного давления" (со стр. 172-173 из [3]).
Как видно, при таких параметрах давления и температуры удельный объем углекислого газа уменьшается примерно в 470 раз. Безусловно, данный пример является лишь параметрально единичным и в реальном процессе при работе данного ДВС параметры давления и температуры другие. Вместе с тем, достаточно понятно, что при некотором соотношении термодинамических параметров в единой термодинамической системе "ДВС - вихревая камера" в ее замкнутом объеме возможно сконденсировать углекислотную составляющую выхлопного газа. При этом, учитывая значительное изменение удельного объема самого газа, в данном замкнутом объеме общей термодинамической системы возможно получить значительный и устойчивый вакуум.
Аналогично и для водяной составляющей выхлопных газов. Важно то, что термодинамические свойства воды и водяного пара взаимосвязаны, и при некоторых соотношениях давления и температуры в заданном объеме возможен изобарный процесс отвода тепла от влажного пара, который приводит к конденсации (переходу точки росы). Такой отвод тепла на практике одновременно представляет и изотермический процесс, легко осуществимый технически, исходя из известных в технике устройств.
Надо отметить, что вода как рабочее тело тепловых и холодильных машин широко применяется в технике. И сам процесс достаточно освоен. В холодильной промышленности рабочие устройства по охлаждению и конденсации продуктов сгорания достаточно распространены. Например, из (со стр.4-14 из [10]) известно, что сходные термодинамические преобразования с аналогичным по химическому составу рабочим телом осуществляют в теплохладоэнергетических установках (ТХЭУ), комбинированно состоящих из ДВС в виде газовой турбины, сложной объединенной системы котлов, экономайзеров, источников водоснабжения, насосов, генераторов, турбодетандоров, сепараторов и т.д. При этом достигается совместное производство тепла, электрической энергии и углекислоты (т. е. СО доводят до твердой фазы). В рассматриваемой установке комбинированный цикл состоит из двух прямых - цикла газотурбинной установки (цикла газовой ступени) и цикла паротурбинной установки (цикла паровой ступени) и одного обратного (холодильного цикла), аналогичного циклу газовой холодильной машины. Чем достигается возможность использования высшей теплотворной способности топлива, отсутствие теплопотерь с уходящими газами, превращение продуктов сгорания в хладоагент и получение твердой двуокиси углерода путем вымораживания из продуктов сгорания.
Таким образом, из уровня техники предлагаемый термодинамический процесс охлаждения и конденсации продуктов сгорания ДВС известен, освоен и широко применяется в холодильной технике. Но достигается он более сложными стационарными системами и ориентирован на другие результаты.
Учитывая, как отмечалось ранее, что при нормальном протекании процесса горения, при нормальном стехиометрическом составе топливовоздушной смеси наиболее объемно значимыми частями выхлопных газов ДВС являются именно углекислый газ и пары воды, то их объемная конденсация в замкнутом объеме и приводит к образованию в последнем состояния устойчивого вакуума. Последнее обстоятельство позволяет обеспечить наиболее полезное использование теплоты конденсации этих паров, образовавшихся при сжигании топлива, т.е. перейти точку росы. Это состояние является следствием значительного и быстрого охлаждения в результате энергетического разделения потоков в вихревой камере энергетического разделения.
Другие составляющие выхлопных газов, например азотные соединения, в долевом отношении в продуктах выхлопа незначительны и компенсируются в общей системе. Возможен также физико-химический процесс растворения других несгоревших химических составляющих выхлопных газов в их сконденсировавшейся части. Однако на данном этапе развития исследований данный процесс мало изучен.
Один из вариантов осуществления ДВС, в котором вихревые камеры энергетического разделения установлены последовательно одна за другой, предполагает возможность такой настройки их термодинамических параметров, при которых, например, первая была настроена исключительно на углекислотную составляющую, а вторая - на пароводяную.
Следует также понимать, что взаимонастроенная по термодинамическим параметрам вихревая камера должна эффективно конденсировать за цикл большую часть выхлопных газов ДВС. С целью увеличения производительности вихревой камеры по другому варианту осуществления изобретения применяются параллельно установленные камеры энергетического разделения.
В любом случае после совершения единичного цикла физически преобразованное за цикл рабочее тело, сконденсировавшееся в результате охлаждения, отводят через дренажную систему. Рабочее тело данного конкретного единичного цикла, пройдя этапы охлаждения и конденсации, утилизируется в виде жидкости через дренажную систему. Дренажная система представляет известные и отработанные в технике решения, в общем случае систему отвода жидких стоков, фильтрации, сепарации, дросселирования, клапанов перепуска, отстойника-накопителя для утилизации и т.д. Возможно, какая-то часть сконденсировавшегося рабочего тела, не успевшая стечь со стенок камер, преобразуется в последующем цикле при нагреве и охлаждении.
По другому варианту исполнения другая часть выхлопных газов как рабочее тело, не сконденсировавшаяся при охлаждении и имеющая газовое агрегатное состояние, отводится через систему отвода несконденсировавшейся части выхлопных газов. Данная система представляет также известные в технике решения и состоит, в общем случае, из газовых дросселей и газодинамических замков, клапанов, резонаторов, глушителей, соединяющих труб и т.д. Основная задача данных устройств состоит в запирании объема общей термодинамической системы с целью предотвращения подсасывания газа из атмосферы в момент действия вакуума. И, соответственно, свободный выпуск отработавших газов в направлении из вихревой камеры в атмосферу. Таким образом, единый замкнутый объем является условно-замкнутым на каком-то этапе цикла, после завершения которого, как правило, происходит выравнивание давлений замкнутой системы с атмосферой, например в момент перекрытия клапанов.
Следует отметить, что на разных режимах работы ДВС возможно сочетание обоих способов и систем во время работы.
Последовательно, в результате этого конденсация рабочего тела приводит к созданию значительного по модулю, длительного по времени действия, устойчивому состоянию вакуума в замкнутом объеме единой термодинамической системы "ДВС - вихревая камера". Известно "вакуум - состояние газа при давлении меньше атмосферного" (со стр. 69 из [8]). Следует отметить, что в данном случае понимается действительно устойчивый вакуум как состояние газа в области низких температур. И отличный, как состояние, от волнового разрежения в процессе выхлопа. Существование данного вакуума по времени определено минимум на период стабилизации термодинамических параметров системы за конкретный круговой термодинамический цикл. При этом в зависимости от варианта исполнения ДВС и его настроек возможно существование остаточного вакуума в замкнутом объеме "ДВС - вихревая камера" для последующего цикла. При этом возможно некоторое изменение термодинамических параметров единой системы. В другом варианте исполнения возможно выравнивание вакуума с давлением внешней среды после цикла, например, в момент перекрытия клапанов ДВС или через систему отвода несконденсировавшейся части выхлопных газов.
Последовательно, в результате этого двигатель совершает положительный рабочий ход как вакуумный двигатель.
Следует отметить, что термин "вакуумный двигатель" условен. И, прежде всего, имеет под основой такое устройство, которое имеет камеру объемного расширения и рабочий орган, способный совершать некоторый ход или перемещение за счет некоторых сил от действия вакуума. В результате при воздействии сил по перемещению рабочего органа этой машины совершается положительная работа. При этом этот двигатель имеет возможность съема этой
работы с рабочего органа для передачи ее потребителям. Простейшим примером такого устройства является поршневая машина. При создании вакуума в верхней части цилиндра поршень совершает положительный рабочий ход от НМТ к ВМТ. При этом, если поршень связан через кривошипно-шатунный механизм с валом отбора мощности, то работа может передаваться потребителям.
Также примерами таких устройств могут служить различные газотурбинные, турбовальные системы, роторно-поршневые системы (типа Ванкеля), системы с винтовыми роторами (типа Лисхольм) и другие известные в технике решения.
Следует отметить, что любой ДВС имеет камеру объемного расширения, и, как правило, если цикличный процесс, то камера объемного расширения одновременно может выполнять функции расширительной машины на одном такте и вакуумного двигателя на другом такте.
Однако это не означает, что такие решения единственно возможные. Возможно техническое исполнение ДВС согласно данному изобретению, в котором камера объемного расширения ДВС и вакуумный двигатель являются отдельными устройствами, конструктивно совмещенными в едином двигателе. При этом работа вакуумного двигателя возможна, как правило, за счет перепада давления между атмосферным давлением окружающей среды и вакуумом внутри замкнутого объема за цикл.
Последовательно, в результате этого достигаются новые качественные параметры термодинамического цикла ДВС как тепловой машины.
Следует отметить, что цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Практически осуществление адиабатных процессов не представляет особых трудностей. Отклонения реальных адиабатных процессов расширения и сжатия от изоэнтропы, обусловленные необратимостью процессов течения, конечно, приводят к уменьшению термического КПД цикла, однако это уменьшение не слишком велико.
Двигатель внутреннего сгорания представляет собой такую тепловую машину, в которой подвод тепла к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко воспламеняющимся топливом, а на втором этапе - продукты сгорания этого жидкого или газообразного топлива. Учитывая, что наиболее объемно значимой частью рабочего тела согласно изобретению является именно продукты сгорания, вода и углекислый газ, и преобразования над ними, то нужно определить следующее.
Первичные подготовительные такты и системы двигателей являются стандартными и неизменяемыми в рамках предлагаемого изобретения. В связи с чем согласно физической сущности цикличных процессов различают три основных вида циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания: цикл Отто (сгорание при постоянном объеме); цикл Дизеля (сгорание при постоянном давлении); цикл Тринклера-Сабатэ (сгорание при постоянном объеме и затем при постоянном давлении).
В общем случае (см. рис. 10-2 на стр. 321 из [3]) идеализированный замкнутый цикл, термодинамически эквивалентный циклу Отто, состоит из двух адиабат (адиабата сжатия 1-2 и адиабата расширения 3-4) и двух изохор (изохора подвода тепла 2-3 и изохора отвода тепла 4-1). Работа, производимая двигателем за один цикл, изображается площадью 2-3-4-1-2.
В общем случае (на рис. 10-6 на стр. 324 из [3]), как видно из этой диаграммы, идеализированный цикл Дизеля состоит из двух адиабат (адиабаты сжатия 1-2 и адиабаты расширения 3-4), изобары 2-3, по которой осуществляется подвод тепла q1 от горячего источника, и изохоры 4-1, по которой осуществляется отвод тепла q2 к холодному источнику.
Своего рода "гибридом" циклов Отто и Дизеля является цикл со смешанным сгоранием или цикл Тринклера-Сабатэ (см. рис. 10-10 на стр.327 из [3]). В рабочем цилиндре воздух адиабатически сжимается за счет инерции маховика, сидящего на валу двигателя, нагреваясь при этом до температуры, обеспечивающей воспламенение жидкого топлива, подаваемого в форкамеру (процесс 1-2). Форма и расположение последней способствуют наилучшему смешению топлива с воздухом, в результате чего происходит быстрое сгорание части топлива в небольшом объеме форкамеры (процесс 2-5). Благодаря возрастанию давления в форкамере образовавшаяся в ней смесь несгоревшего топлива, воздуха и продуктов сгорания проталкивается в рабочий цилиндр, где происходит догорание оставшегося топлива, сопровождающееся перемещением поршня слева направо при приблизительно постоянном давлении (процесс 5-3). По окончании сгорания топлива дальнейшее расширение продуктов сгорания (рабочий ход) происходит адиабатически (процесс 3-4), после чего отработавшие газы удаляются из цилиндра (процесс 4-1). Таким образом, в цикле со смешанным сгоранием подвод тепла осуществляется вначале по изохоре, а затем по изобаре.
Исходя из данных физических понятий, надо пояснить предлагаемый согласно изобретению термодинамический цикл. Прежде всего, данный цикл является агрегатно-фазовым. То есть, рабочее тело при протекании процессов подвода или отвода тепла переходит критические точки фазового перехода и на некоторое время переходит в следующее пограничное агрегатное состояние. Такие переходы вначале идут при значительном нагревании в зоне вихря, в результате чего возможен переход в агрегатное состояние слабоионизированного газа с необратимыми физико-химическими преобразованиями химических составляющих рабочего тела. Далее рекомбинация и значительное охлаждение в приосевом потоке. И в процессе охлаждения - конденсация химических составляющих рабочего тела. То есть процесс фазового перехода из газообразного состояния в жидкость.
Согласно изобретению существуют также и пограничные температурные состояния.
По одному из вариантов осуществления способа работы, когда температура нагрева является достаточной только для нагрева части химических составляющих газа. Этот режим является переходным и в рассчитанной термодинамической системе "ДВС - вихревая камера" может возникать только на ряде режимов работы ДВС, например при прогреве. Вместе с тем, его надо учитывать, так как физико-химические процессы преобразования над рабочим телом могут идти с некоторыми отклонениями.
Также по другому варианту осуществления способа возможен аналогичный режим в низкотемпературной зоне. Так, конденсации может быть подвержена лишь часть химических составляющих рабочего тела ДВС. В данном случае несконденсировавшаяся часть выхлопных газов ДВС как рабочего тела выводится через специально предназначенную для этого систему.
Также по другому варианту осуществления способа термодинамические параметры системы рассчитывают так, что в зоне высоких температур не протекает ионизация. Таким образом, вся термодинамическая система настраивается исключительно на фазовый переход из агрегатного состояния газа в состояние жидкости. При этом хотя бы части химических составляющих элементов рабочего тела.
Возможен также процесс охлаждения рабочего тела ДВС до твердой фазы, но так как жидкости мало сжимаемы, то уменьшение их объемной доли в замкнутом объеме незначительно и не дает значительного эффекта по созданию вакуума.
На самом деле, процессы внутри такой термодинамической системы очень сложны и на данном этапе развития экспериментальных исследований полностью не изучены. В связи с чем, наиболее вероятно одновременное существование всех указанных способов в зависимости от режимов работы двигателя.
На фиг.1 изображен в p-V координатах предлагаемый агрегатно-фазовый термодинамический цикл. Данный цикл представляет идеализированный цикл соответствующей индикаторной диаграммы для единицы массы рабочего тела. По физической сущности данный цикл является совмещенным циклом ДВС как нагревателя с циклом вихревой камеры как холодильной установки. Термодинамическая сущность процесса заключается, таким образом, в том, что в ней продукты сгорания топлива превращаются не только в греющий агент, но и в холодильный агент, как в холодильной машине.
Так подвод тепла за счет сгорания топливовоздушной смеси осуществляется либо по изохоре, либо по изобаре, либо последовательно по изохоре, затем по изобаре. Что соответствует циклам двигателей Отто, Дизеля и Тринклера-Сабате соответственно. Объясняется это тем, что первичные такты предлагаемого двигателя равноценны с обычными двигателями. На диаграмме подвод тепла к рабочему телу показан на изохорном участке 1-2 и на изобарном участке 2-3 с некоторым давлением сгорания рс.
Далее, процесс адиабатного расширения рабочего тела в расширительной машине ДВС, в наиболее простом случае, при ходе поршня от точки ВМТ к НМТ на диаграмме. На индикаторной диаграмме адиабатный участок 3-4. Данный участок диаграммы также аналогичен диаграммам известных конструкций ДВС.
Далее следуют существенные отличия, присущие исключительно данному термодинамическому циклу. Объясняется это тем, что вихревая камера энергетического расширения имеет свои термодинамические параметры и свои индикаторные показатели, типично как холодильная установка. При этом ее термодинамические параметры объединены в единую термодинамическую систему с параметрами ДВС. Более того, вихревая камера осуществляет термодинамические преобразования над тем же рабочим телом, газом той же массы, но типично как холодильным агентом. Поэтому на данном участке индикаторной диаграммы, связанной с изохорным отводом тепла, как в стандартном цикле, с рабочим телом происходят следующие значительные изменения.
Вначале рабочее тело после открытия выпускного клапана, истекая на скоростях 600-800 м/с, попадает на вихревое сопло, образует вихрь, в котором значительно разогревается, увеличивает давление и расширяется далее по камере. На индикаторной диаграмме этот участок отмечен как 4-5. Данный участок индикаторной диаграммы фактически вертикален или условно вертикален. То есть, это изохорный подвод тепла. Именно в этот период над рабочим телом совершаются значительные физико-химические преобразования в результате значительного разогрева. На данном участке и происходят необратимые термохимические реакции, диссоциация, а затем и ионизация рабочего тела по одному способу, либо части химических составляющих рабочего тела по другому способу. То есть, на данном участке происходит агрегатно-фазовый переход газа в состояние слабоионизированного газа. Это верхняя граница агрегатно-фазового перехода. Точка 5, как точка давления ионизации ри, может находиться выше точек подвода теплоты 2 и 3 в случае перехода в слабоионизированное агрегатное состояние по первому варианту осуществления способа. В случае частичной ионизации химических составляющих выхлопных газов точка 5 может быть чуть выше, ниже или равна. По другому варианту осуществления, когда выхлопные газы нагревают без возможности их ионизации, точка 5 будет равна либо ниже уровня точек 2 и 3. Также следует понимать, что вертикальность (изохорность) участка изохорного подвода тепла на диаграмме зависит от термодинамических характеристик вихревой камеры. Так, в частности, при использовании по одному из вариантов последовательно расположенных вихревых камер точка 5 будет иметь некоторые нижерасположенные точки 5', 5'', 5''' и т.д., каждая из которых будет соответствовать высшей точке нагрева в каждой из камер.
Далее, свободный вихрь, расширяясь по камере, постепенно теряет скорость вращения, давление и температуру. Происходит плавное уменьшение давления при расширении по объему вихревой камеры. На индикаторной диаграмме адиабатный участок 5-6. На данном участке происходят сложные преобразования обратного фазового перехода, в частности рекомбинация. Визуально, в случае нескольких камер участок диаграммы 5-6 будет выглядеть в виде "пилы" 5-6'-5'-6. По другому варианту, где вихревые камеры расположены параллельно, в общем случае, будет наложение на точку 5 двух диаграмм от двух камер. В целом, исходя из того, что данная диаграмма представляет идеализированный цикл, здесь и далее можно пренебречь этими расхождениями и рассматривать диаграмму цикла, руководствуясь общими термодинамическими параметрами объединенной системы.
Далее происходит процесс компенсации холодного приосевого потока, имеющего низкое давление, и вихревого потока, потерявшего давление и температуру. Следует отметить, что в зависимости от настройки вихревой камеры энергетического разделения данный процесс может быть плавным либо ударным, то есть происходить быстро. Учитывая, что диаграмма представляет идеализированный цикл, то принимается во внимание быстротечный или ударный процесс компенсации. Этот момент соответствует точке 6 индикаторной диаграммы. Положение относительно точки 4 может быть выше, ниже или равно.
Далее, значительный вакуум и низкие температуры в приосевом потоке, изменив свои термодинамические параметры после компенсации с вихревым потоком, значительно изменяют температуру и давление общей термодинамической системы "ДВС - вихревая камера". Это изменение происходит при постоянном объеме в область низких давлений и низких температур. На диаграмме изохорный участок 6-7. Это участок изохорного отвода тепла. Надо отметить, что изменения состояния рабочего тела при данном охлаждении доходят до критической точки 7, то есть точки агрегатно-фазового перехода газа в состояние жидкости. В зависимости от параметров системы точка фазового перехода 7 может быть выше, ниже или равна по давлению с уровнем атмосферного давления.
Несмотря на то, что выхлопные газы ДВС - смесь отдельных химических элементов с разными точками конденсации, здесь принята упрощенная модель, что точки фазового перехода являются общими на все рабочее тело.
Агрегатно-фазовый переход газа в жидкость при постоянном объеме сопровождается значительным уменьшением давления, гораздо ниже атмосферного ратм. То есть созданием значительного, устойчивого вакуума. На диаграмме это изохорный участок 7-8. При этом с участка 6-8 газ максимально расширен и занимает весь объем единой термодинамической системы до Vкам.
Далее, участок изобарического отвода тепла 8-9. Надо отметить, что газовые турбины как вид ДВС имеют аналогичный участок отвода тепла. Это связано с отсутствием цикличности выхлопа. Для цикличного ДВС наличие такого участка отвода тепла существенно понижает температурную границу цикла, что увеличивает КПД.
И участок совершения положительного рабочего хода вакуумным двигателем из НМТ, точка 9 на индикаторной диаграмме, до ВМТ, соответственно точка 10. На индикаторной диаграмме адиабатный участок 9-10. При этом надо отметить, что ход вакуумного двигателя возможен, как правило, до давления выравнивания с атмосферным.
Далее, замыкает цикл участок 10-1. Это изохорный участок подвода тепла. В реальном двигателе на данном участке происходит сжатие свежего заряда и его воспламенение. В общем случае участок 10-1 и участок 1-2 можно рассматривать как единый участок изохорного подвода тепла.
Работа, выполняемая рабочим телом за цикл, ограничена участком диаграммы 1-2-3-4-9-10, т.е. максимальными точками хода машины расширения ДВС от ВМТ к НМТ, и заштрихована на диаграмме.
Безусловно, при конкретном исполнении ДВС возможны значительные отклонения индикаторной диаграммы реального цикла от предложенного идеализированного. Также надо отметить, что и ряд участков идеализированного цикла может иметь изменения, например участков 4-5, 5-6, 6-7, 7-8, 8-9, что связано с рабочими настройками вихревой камеры энергоразделения.
Вместе с тем, отличительной особенностью индикаторной диаграммы предложенного агрегатно-фазового цикла является наличие двух объединенных термодинамических систем: ДВС как нагревателя и вихревой камеры как охладителя, и соответствующих им индикаторных диаграмм. Что и является следствием их совместного термодинамического преобразования рабочего тела ДВС с возможностью агрегатно-фазовых переходов.
В общем случае, индикаторная диаграмма объединенной термодинамической системы состоит из изохоры подвода тепла 1-2, изобары подвода тепла 2-3, адиабаты расширения рабочего тела 3-4, изохоры нагрева рабочего тела в вихревом потоке 4-5, адиабаты расширения вихревого потока 5-6, изохоры отвода тепла до точки конденсации 6-7, изохоры отвода тепла сконденсировавшегося рабочего тела 7-8, изобары отвода тепла 8-9, адиабаты положительного вакуумного хода 9-10 и изохоры первичного подвода тепла 10-1. Таким образом, данная индикаторная диаграмма является оригинальной, взаимозависимой и достаточной для описания предлагаемого агрегатно-фазового термодинамического цикла.
Как видно из диаграммы, площадь работы по сравнению со стандартным циклом значительно увеличена. Также, учитывая значительное снижение температуры рабочего тела в результате агрегатно-фазового перехода в жидкость, уменьшается нижняя температурная граница цикла, что согласно теореме Карно ведет к увеличению термического коэффициента полезного действия ДВС. Также увеличиваются экологические параметры ДВС: так выхлопных газов либо истекает мало, по одному варианту; либо вообще нет, так как они удаляются в виде стоков в отстойники, по другому варианту. Также, учитывая дополнительное приращение мощности ДВС на дополнительном вакуумном ходе, увеличиваются его эксплуатационные параметры, увеличивается плавность его работы. Также снижается шум выхлопа, тепло и вибронагруженность и т.д. Этим и достигается общий положительный эффект предлагаемого изобретения.
Также согласно данному способу существуют и другие косвенные, сопровождающие и неотъемлемые положительные результаты. Например, в результате общего охлаждения рабочего тела внутри единой системы происходит внутриполостное охлаждение стенок камеры сгорания ДВС. В результате чего штатная система охлаждения работает с меньшими нагрузками.
Данное изобретение как способ работы наиболее ориентировано на цикличные двигатели, как наиболее простые для осуществления и наиболее распространенные. Это могут быть различные, известные из уровня техники, двух- и четырехтактные бензиновые с искровым зажиганием и дизельные двигатели различных конструкций, с поршневыми, роторно-поршневыми, свободно-поршневыми и др. исполнительными агрегатами и компаундированными системами. Вместе с тем, способ работы как измененный термодинамический цикл имеет более широкое общетехническое и физическое значение. В связи с чем возможно, что согласно данному способу работы могут быть исполнены и другие типы двигателей внутреннего сгорания, например, такие как газовая турбина, жидкостной реактивный двигатель, либо их конструктивные элементы в различных вариантах исполнения.
Таким образом, последовательное и взаимосвязанное изменение термодинамических параметров выхлопного газа как рабочего тела ДВС в результате энергетического разделения в вихревой камере, взаимосвязанной в единую термодинамическую систему с ДВС с образованием единого замкнутого объема, приводит к изменению термодинамического цикла ДВС как способа работы тепловой машины. При этом при последовательном воздействии значительных высоких и низких температур с рабочим телом происходят агрегатно-фазовые изменения. По верхней температурной границе с возможностью ионизации всех выхлопных газов, по одному варианту; с возможностью частичной ионизации, по другому варианту; и без возможности ионизации, по третьему варианту. По нижней температурной границе с возможностью конденсации в замкнутом объеме всех выхлопных газов, по одному варианту; либо их части, по другому варианту. Что последовательно приводит к созданию в этом замкнутом объеме устойчивого и значительного вакуума. Этим и достигается новая совокупность известных признаков, в результате которых проявляются новые свойства по совершению положительного рабочего хода ДВС как вакуумным двигателем. Таким образом, данная последовательность составляет взаимосвязь существенных и параметральных признаков, необходимых для достижения заявляемого агрегатно-фазового термодинамического цикла, являющегося физическим обоснованием способа работы ДВС и двигателя, для его осуществления. В этом и состоят основные отличия от аналогов как по способу работы, так и по устройству для его осуществления.
Другие технические решения, содержащие признаки, изложенные в формуле изобретения в качестве отличительных, не известны, что позволяет сделать вывод о наличии новизны и изобретательского уровня у заявляемого изобретения.
В качестве примера исполнения устройства для достижения указанного технического эффекта принят четырехтактный поршневой одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Безусловно, данное решение не исчерпывает всей полноты возможных технических вариантов осуществления двигателя и предлагаемого способа и является лишь демонстрирующим сущность последовательных признаков, как наиболее простой вариант.
Конструкция двигателя, реализующего предложенный термодинамический цикл, представлена в разных вариантах на фиг.2, 3, 4.
На фиг.2 представлен основной вариант двигателя с объединенными в единую замкнутую термодинамическую систему двигателем и вихревой камерой энергоразделения с системой дренажа и системой выпуска несконденсировавшейся части выпускных газов.
На фиг.3 - другой вариант осуществления с последовательно установленными вихревыми камерами энергоразделения.
На фиг.4 - другой вариант осуществления с параллельно установленными вихревыми камерами энергоразделения.
Основными деталями двигателя являются картер 1, внутри которого размещена кривошипно-шатунная группа, состоящая из коленчатого вала 2, шатуна 3 и поршня 4, совершающего возвратно-поступательные движения в цилиндре 5. В крышке (головке) 6 смонтированы клапан впуска 7 и клапан выпуска 8 с соответствующими системами привода. К фланцу выпускного коллектора 9 жестко и герметично присоединена вихревая камера энергоразделения 10 известной из уровня техники конструкции (тангенциальное сопло и труба). Вихревая камера как функциональный элемент общей термодинамической системы имеет глухую закрытую стенку 11, запирающую общий объем системы с тыльной части вихревой камеры. При этом в зависимости от вариантов исполнения в вихревую камеру устанавливаются дренажная система 12, либо дополнительно система отвода несконденсировавшейся газовой составляющей выхлопных газов 13.
По другому варианту исполнения аналогичный двигатель имеет последовательно установленные одна за другой две вихревые камеры, первичную 14 и вторичную 15. При этом вторичная камера присоединена к первичной через фланец 16 и имеет глухую закрытую стенку 17. Как и вихревая камера по первому варианту, данная система из последовательных вихревых камер имеет дренажную систему 12 и систему отвода несконденсировавшейся части выхлопных газов 13.
По другому варианту исполнения аналогичный двигатель имеет параллельно установленные вихревые камеры энергоразделения 18 и 19, установленные на общем коллекторе 20. При этом каждая камера имеет аналогичные глухие закрытые стенки 11, дренажную систему 12 и систему отвода несконденсировавшейся части выхлопных газов 13, как и система по первому варианту.
Работает двигатель следующим образом. Топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся через клапан впуска 7 в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки 6, стенками цилиндра 5 и днищем поршня 4. Это и есть объем машины расширения данного поршневого ДВС. Образующиеся при сгорании газы, имеющие высокую температуру, давят на поршень 4 и перемещают его в цилиндре 5. Поступательное движение поршня 4 через шатун 3 передается установленному в картере коленчатому валу 2, который и преобразует его во вращательное движение. На данном этапе совершается положительный рабочий ход непосредственно за счет сил от расширения газа при движении поршня от ВМТ к НМТ.
На данном этапе или цикле, а также на предшествующих циклах подготовительных процессов, т.е. на тактах впуска топливовоздушной смеси, ее сжатия, возгорания и расширения, данный ДВС работает аналогичным образом, как большинство известных конструкций четырехтактных ДВС.
Основные отличия работы данного ДВС начинаются на такте (цикле) выпуска. В момент открытия выпускных клапанов 8 выпускные газы, имея значительное давление, температуру на скоростях, близких к звуковым, попадают через коллектор 9 в вихревую камеру энергоразделения 10, по другому варианту 14 и 15, по другому варианту 18 и 19. Где, пройдя через вихревые сопла, образуют вихрь вдоль стенок камеры. При этом истечение проходит при увеличении скорости истечения до сверхкритической, увеличивается температура и давление. С выхлопными газами в результате значительного нагрева в зоне вихря происходят необратимые физико-химические преобразования. В результате воздействия вихревого потока внутри камеры формируется приосевой поток, имеющий низкое давление, низкую температуру. На некотором объеме вихревой камеры происходит торможение вихревого течения данного заряда выпускных газов. В результате этого происходит выравнивание, взаимное компенсирование термодинамических параметров вихревого и осевого потока. При этом происходит значительное охлаждение общей компенсированной термодинамической системы выхлопного газа. При охлаждении химические составляющие оставшегося выхлопного газа конденсируются. То есть, переходят в агрегатно-фазовое состояние жидкости. Наиболее значимой частью выхлопных газов для конденсации являются пары воды и углекислый газ, если учитывать нормальные стехиометрические параметры топливовоздушной смеси. Учитывая, что такое изменение объемных параметров данной массы газа в замкнутом или, по другому варианту, условно замкнутом объеме общей термодинамической системы приводит к значительному падению давления, то это приводит к созданию в данном замкнутом объеме значительного, длительного по времени действия устойчивого состояния вакуума. Учитывая, что данный ДВС в качестве машины объемного расширения имеет поршневую машину, соединенную в единый объем с вихревой камерой, то внутри цилиндра 5 образуется такой же по значению вакуум. Учитывая, что внутри картера ДВС 1 имеется некоторое суммарное давление (в общем случае, атмосферное давление и давление картерных газов), то в результате такого перепада давлений поршень 4 совершает дополнительный положительный рабочий ход из НМТ к ВМТ, типично как вакуумный двигатель.
Дренажная система 12 и система отвода несконденсировавшейся части газов 13 предназначены для утилизации рабочего тела из общей термодинамической системы после совершения цикла и представляют отработанные в технике решения.
По одному из вариантов осуществления ДВС, фиг.3, вихревые камеры энергоразделения 14 и 15 установлены последовательно. Такое конструктивное решение позволяет более точно настроить общую термодинамическую систему. Так, например, в первичной камере возможно большее нагревание, а во вторичной - большее охлаждение. Данному признаку удовлетворяют, как правило, минимум две последовательно установленных камеры. Как правило, последняя из камер может иметь дренажную систему и систему отвода несконденсировавшейся части выхлопных газов.
По другому варианту, фиг. 4, вихревые камеры энергоразделения 18 и 19 установлены параллельно. Такое решение позволяет более точно настроить систему, т. к. увеличивается пропускная способность вихревых сопел, тем самым предотвращается газовое запирание у выпускного фланца ДВС. Данному признаку удовлетворяют, как правило, минимум две параллельно установленные камеры. Как правило, каждая из камер может иметь дренажную систему и систему отвода несконденсировавшейся части газов.
Таким образом, взаимосвязанное совмещение в единую термодинамическую и конструктивную систему взаимозависимых по термодинамическим параметрам ДВС и вихревой камеры с целью энергетического разделения рабочего газа и составляет основу данного устройства. В результате этого осуществляются значительные термодинамические преобразования над выхлопным газом ДВС, что и приводит к охлаждению и конденсации выхлопных газов в замкнутом объеме, образованию в нем вакуума и к дополнительному положительному рабочему ходу ДВС как вакуумного двигателя. И соответственно к достижению нового способа работы как технического результата. Это и составляет основное отличие данного ДВС от наиболее близкого решения, принятого за прототип.
Результат - повышение КПД двигателя и его основных характеристик, обусловленный увеличением полезной работы, выполняемой вакуумом (перемещение поршня). Также увеличиваются экологические параметры двигателя. При работе двигателя по данному циклу повышается равномерность хода коленчатого вала, благоприятно отражающаяся на работе того механизма, который связан с двигателем.
Следует отметить, что конструктивно, данные технические варианты осуществления ДВС базируются на известных из уровня техники решениях и отработанных в промышленности технологиях, не требуют новых топлив и значительной переделки конструкции ДВС и соответствующей ей сложившейся общемировой инфраструктуры эксплуатации и обслуживания. Это также подтверждает возможность промышленной применимости изобретения.
Источники информации
1. Описание изобретения к заявке RU 94037895/06 А1, МПК 6 F 02 В 1/06. Адельшин А. В. Термодинамический цикл А.Адельшина для двигателя внутреннего сгорания без наддува и двигатель внутреннего сгорания, работающий по данному циклу. Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам. Бюллетень 24 от 27.08.1996, стр. 108.
2. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2055224 С1, МПК 6 F 02 В 35/00. Гявгянен Ю.В., Геллер С.В. Двигатель внутреннего сгорания. Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам. Бюллетень 6 от 27.02.1996, стр. 198-199.
3. В.А.Кириллин, В.В.Сычев, А.Е.Шейндлин. Техническая термодинамика. М.: Наука, 1979 г.
4. Б.М.Яворский, Ю.А.Селезнев. Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и самообразования. М.: Наука, ГРФМЛ, 1984 г.
5. В.И.Кузнецов. Оптимизация параметров вихревой трубы и методы ее расчета. Л.: ЛТИПХ, 1991 г., стр. 10-11.
6. Коллектив авторов под редакцией А.С.Орлина и М.Г.Круглова. Двигатели внутреннего сгорания: устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1980 г.
7. Коллектив авторов под редакцией В.Н.Луканина. Двигатели внутреннего сгорания. Т.1. Теория рабочих процессов. М.: Высшая школа, 1995 г.
8. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1984 г.
9. Холодильные машины. Справочник под редакцией к.т.н. И.М.Калнинь. Из серии справочников "Холодильная техника" под редакцией д.т.н. А.В.Быкова. М. : Легкая и пищевая промышленность, 1982 г.
10. А.Н.Ложкин. Теплохладоэнергетические установки. Конспект лекций, Л.: ЛТИПХ (Ленинградский технологический институт холодильной промышленности), 1976 г.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к усовершенствованию термодинамического цикла как способа работы двигателя внутреннего сгорания. Агрегатно-фазовый термодинамический цикл заключается в последовательном и взаимосвязанном изменении термодинамических параметров выхлопного газа как рабочего тела ДВС в результате энергетического разделения в вихревой камере, взаимосвязанной в единую термодинамическую систему с ДВС с образованием единого замкнутого объема. При этом при последовательном воздействии значительных высоких и низких температур с рабочим телом происходят агрегатно-фазовые изменения. По верхней температурной границе с возможностью ионизации всех выхлопных газов, по одному варианту; с возможностью частичной ионизации, по другому варианту; и без возможности ионизации, по третьему варианту. По нижней температурной границе, с возможностью конденсации в замкнутом объеме всех выхлопных газов, по одному варианту; либо их части, по другому варианту. Для осуществления указанного способа конструкция ДВС выполнена так, что машина объемного расширения ДВС и вихревая камера энергоразделения образуют единый замкнутый объем, с едиными взаимозависимыми термодинамическими параметрами, с возможностью создания в этом объеме вакуума. Рассмотрен двигатель, который снабжен дренажной системой для отвода отработавшего сконденсированного рабочего тела ДВС, системой для отвода несконденсировавшейся газовой составляющей отработавшего рабочего тела ДВС, а также двигатель, в котором вихревая камера энергоразделения состоит из последовательно установленных вихревых камер энергоразделения, составляющих взаимозависимую термодинамическую систему; вихревая камера энергоразделения состоит из параллельно установленных вихревых камер энергоразделения, составляющих взаимозависимую термодинамическую систему. Изобретение обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия ДВС, увеличение эксплуатационных и улучшение экологических параметров ДВС. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 4 ил.
| RU 2055224 C1, 27.02.1996 | |||
| Двигатель внутреннего сгорания | 1983 |
|
SU1377427A1 |
| ВЫПУСКНАЯ СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1998 |
|
RU2150015C1 |
| US 5245824 A, 21.09.1992 | |||
| Автоматический огнетушитель | 0 |
|
SU92A1 |
| СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ | 2017 |
|
RU2673680C1 |
