Изобретение относится к области тепловых двигателей внутреннего сгорания (ТД) с выходным валом отбора мощности. Оно может быть использовано в различных по назначению стационарных и транспортных силовых установках, в том числе, например, в автомобилях.
Тепловой двигатель (ТД) - двигатель, в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Для работы ТД используют химические природные энергетические ресурсы. ТД подразделяются на поршневые двигатели (объемные устройства), роторные двигатели (комбинированные устройства) и реактивные двигатели (лопаточные устройства). Возможны комбинации этих типов двигателей. По способу подвода теплоты для нагрева рабочего тела ТД подразделяются на двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых процессы сгорания топлива и преобразования теплоты в механическую работу происходят в одних и тех же полостях ТД, и двигатели внешнего сгорания, в которых рабочее тело получается вне самого ТД в специальных устройствах (двигатель Стирлинга, пароваямашина). Совершенство работы ТД характеризуется рядом коэффициентов полезного действия (к.п.д.). Термический к.п.д. не зависит от свойств рабочего тела и определяет отношение полезно использованной в цикле теплоты (эквивалентной полученной работе) ко всему количеству теплоты, затраченной на цикл. Совершенство теплового процесса оценивается индикаторным к.п.д. и определяет отношение количества теплоты, эквивалентного индикаторной работе, ко всему количеству теплоты, введенному в двигатель с топливом. Относительный к.п.д. показывает, насколько близко подходит индикаторное тепловыделение к термическому, определяет отношение тепла, эквивалентного индикаторной работе к теплу, эквивалентному работе замкнутого теоретического цикла. Механические потери ТД учитываются механическим к.п.д. и определяются отношением эффективной мощности ТД к его индикаторной мощности. Эффективный к.п.д. оценивает общее теплоиспользование реального ТД с учетом тепловых и механических потерь и определяет отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе, к количеству теплоты, затраченному на получение этой работы, то есть к теплу, которое могло бы выделиться при полном сгорании топлива. Все к.п.д. ТД взаимосвязаны и зависят от изменения режима работы ТД. ДВС являются ТД циклического действия, в которых совокупность различных термодинамических процессов осуществляется в определенной последовательности и заключается в превращениях химической (точнее молекулярной или атомной) энергии топливной смеси, происходящих в результате термохимических реакций окисления, в тепловую энергию, преобразуемую в энергию деформации и кинетическую энергию газов, частично реализуемую в кинетическую энергию вращения вала и механическую работу. Широкое применение ДВС объясняется их компактностью, малым весом, простотой в эксплуатации и главным образом высоким эффективным к.п.д. (до 45%). Любое тело (воздух, пар и т.п.), предназначенное выполнять роль рабочего агента, перед расширением может быть нагрето до температуры, значительно меньше температуры его горения, поэтому в этом случае неизбежно приходится осуществлять процесс горения в цилиндрах ДВС. Рабочий цикл поршневых ДВС образуется в результате четырех возвратно-поступательных ходов поршня (тактов ДВС), при этом коленвал делает два полных оборота. У двухтактных ДВС отсутствуют такты всасывания и выпуска, при этом коленвал делает один оборот. Циклы ДВС, в отличие от теоретического обратимого прямого цикла Карно, являются прямыми необратимыми, так как ДВС не работают замкнутыми циклами и после каждого процесса расширения рабочий агент (продукты сгорания) не возвращается в свое исходное состояние, а выбрасывается в атмосферу. Поршни в цилиндрах движутся с конечными скоростями, через поршень и цилиндр происходит непроизводительная потеря тепловой энергии посредством теплопроводности, теплоотдачи и излучения в окружающую среду, а также на трение движущихся частей, следовательно, обратимость термодинамических процессов невозможна. Все эти необратимые явления в ДВС понижают степень совершенства преобразования тепловой энергии в механическую работу, в силу чего действительный к.п.д. ДВС меньше к.п.д. теоретических идеальных циклов. В цикле Карно возможно наибольшее превращение тепла в работу, тем не менее ДВС работают не по циклу Карно, так как наклон адиабат и изотерм цикла Карно при разности температур, имеющихся в ДВС, почти одинаков и отношения давлений и объемов в силу этого очень велики, и, следовательно, мы бы имели очень большие давления (2500 ата) и большие объемы цилиндра (в основном за счет большого хода поршня). Однако высокая степень расширения приводит к увеличенным тепловым и механическим потерям, большим массам и размерам ДВС, что также неприемлемо. Поэтому рабочие циклы ДВС состоят из таких термодинамических процессов, которые не вызывают очень больших давлений и высоких степеней расширения. Эти циклы состоят из двух адиабат и двух изохор, или двух адиабат, изобары и изохоры, или двух адиабат, двух изохор и изобары (во всех случаях изотермы отсутствуют). Таким образом существующие ДВС работают по следующим термодинамическим циклам: цикл с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто) - теоретический цикл двигателей с низкой степенью сжатия; цикл с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля) - теоретический цикл двигателей с высокой степенью сжатия; цикл со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера) - теоретический цикл бескомпрессорных двигателей с высокой степенью сжатия. Все многообразие поршневых ДВС, в том числе и комбинированных ДВС (КДВС), может быть классифицировано по способу осуществления цикла (двух- и четырехтактные); по способу осуществления смесеобразования (внешнее и внутреннее смесеобразование); по способу осуществления воспламенения топливной смеси (воспламенением при сжатии - дизели и газовые дизели, с принудительным воспламенением от электрической искры - карбюраторные и газовые двигатели, или воспламенением с впрыскиванием легкого топлива); по способу наполнения цилиндра (без наддува и с наддувом, совместному и раздельному наполнению цилиндров); по разновидности применяемого топлива (двигатели, работающие на жидком топливе, газовые и газожидкостные). Исторически сложилось так, что первые ДВС появились в XIX веке в результате совершенствования паровых машин XVIII века, в которых в качестве преобразующего силового устройства использовался кривошипно-шатунный механизм. За более чем вековую историю развития поршневые ДВС достигли высокой степени совершенства. Благодаря циклическому характеру работы в ДВС реализуются высокие температуры и большие давления газа, что обуславливает их высокую топливную экономичность. Дальнейшие тенденции развития поршневых ДВС направлены на уменьшение их внутренних потерь и повышение мощностных и экономических показателей их работы с целью: снижения тепловых потерь и возможности использования теплоизолирующих покрытий и материалов для создания адиабатного ДВС, эффективный к.п.д. которого может быть выше на 25%; снижения потерь на трение в результате конструктивных усовершенствований механизмов ДВС с использованием более совершенных смазочных материалов (моторных масел) и универсальных присадок типа пластификационных модификаторов; совершенствования эффективности процесса сгорания путем осуществления послойного сгорания или интенсивной мелкомасштабной турбулентной пульсации в заряде с применением принудительного впрыска и воспламенения топливной смеси; конструктивного и технологического совершенствования всех систем ДВС (системы охлаждения, системы смазки, системы питания и топливоподачи, газораспределительного механизма и т.п.), в том числе и систем управления ДВС с применением бортовых ЭВМ, для оптимизации внешних скоростных характеристик ДВС по рациональному использованию мощностного режима двигателя во всем диапазоне его работ в зависимости от дорожной нагрузки, с частичным или полным отключением отдельных агрегатов двигателя (вентилятор, водяной насос, глушитель, отдельные цилиндры и т.п.) в определенных диапазонах его работы с целью повышения экономических показателей ДВС.
Способы осуществления рабочего цикла ДВС, включающие двухтактную или четырехтактную раздельную последовательность воплощения термодинамических процессов (впуск, сжатие, подвод теплоты с расширением, выпуск), при внешнем или внутреннем топливном смесеобразовании, разнообразном наполнении цилиндров топливной смесью и ее воспламенением, не всегда обеспечивают рациональное использование пульсирующего тепловыделения, что сказывается на устойчивой работе двигателя при изменениях внешней нагрузки. Также для всех известных устройств конструктивных разновидностей ДВС - с крейцкопфным или тронковым кривошипно-шатунным механизмом (и в том числе с прицепными шатунами), разным числом цилиндров и их разнообразным расположением (рядным, Х- и V- образным, оппозитным, вертикальным, наклонным и горизонтальным), разной степенью сжатия, степенью быстроходности поршня и направлением вращения вала (правого или левого вращения, реверсивным и нереверсивным) - существенным недостатком является устройство превращения тепловой энергии в механическую работу, а именно, кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре во вращательное движение коленвала двигателя, а также конструктивно жестко связанный с ним механизм газораспределения, не успевающий при увеличении угловой скорости вращения коленвала за меньшее время процесса обеспечивать качественное формирование топливной смеси, что отражается на снижении мощности двигателя, его топливной экономичности и увеличении токсичности выхлопных газов из-за их частичного сгорания. Возвратно-поступательное движение поршня характеризуется прежде всего знакопеременными ускорениями и силами, значительно возрастающими с увеличением угловой скорости вращения коленвала. В современных карбюраторных ДВС легковых автомобилей ускорение поршня достигает 22000 м/сек за сек, а средняя скорость поршня 16 м/сек при угловой скорости вращения коленвала 6000 об/мин. В двигателе "Аспин" эти параметры достигают соответственно следующих значений: 93000 м/сек за сек, 35 м/сек и 14000 об/мин. Силы инерции масс двигателя, движущихся с переменными по величине и направлению скоростями во всем диапазоне работы ДВС, для некоторых деталей двигателя являются основными расчетными силами и в конечном итоге ограничиваются физико-химическими свойствами применяемых материалов. Из-за воздействия больших знакопеременных тепловых и динамических нагрузок в кривошипно-шатунном механизме, а также сил инерции, крутильных колебаний и всевозможных вибраций, возникающих при неизбежной неравномерности угловой скорости вращения коленвала под действием как внешних, так и внутренних факторов, конструкция поршневых ДВС получается сложной и экономически не выгодной, несмотря на самую массовую их сегодняшнюю распространенность. Это относится ко всем ДВС (стационарным, наземного транспорта, судовым, авиационным), в том числе и к КДВС, которые принято классифицировать по виду схемы связи между его поршневой, компрессионной и расширительной частями. Несмотря на большое разнообразие схем связи между различными частями КДВС, все они могут быть разделены по этому признаку на двигатели с механической, гидравлической, газовой и комбинированной связью; поршневые генераторы газов с газовой турбиной, вал которой соединяется с валом потребителя. Поэтому часто работы по конструктивным и технологическим усовершенствованиям поршневых ДВС не оправдывают ожидаемых надежд. Подобная ситуация в свое время возникла и наблюдалась в авиации, когда все возрастающие к поршневым ДВС требования, появившиеся при необходимости решения назревших проблем, привели в конечном итоге к созданию реактивных двигателей.
Конструктивно реактивные двигатели подразделяются на ракетные двигатели и воздушно-реактивные: бескомпрессорные и турбокомпрессорные (газотурбинные) с разновидностью турбореактивных, а также турбовинтовых и турбовальных. Турбовинтовые и турбовальные двигатели относятся к двигателям непрямой реакции, в которых вся или большая часть полезной работы передается движителю (валу, винту, колесу и т.п.), посредством которого создается тяга или перемещение. Остальные двигатели - двигатели прямой реакции, в которых полезная работа затрачивается только на ускорение, создаваемое кинетической энергией отработавших выхлопных газов, кроме как в авиации и космонавтике, не имеют широкого применения из-за специфических особенностей их назначения (конструкция не имеет выходного вала отбора мощности), и поэтому в дальнейшем рассматриваться не будут. Газотурбинный двигатель (ГТД) - тепловая машина, предназначенная для преобразования химической энергии сгораемого топлива в кинетическую энергию реактивной струи газов и в механическую работу на валу двигателя, основными элементами которой являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина. ГТД являются роторными двигателями, они не имеют силовых механизмов с возвратно-поступательным движением и непосредственно или через редуктор соединяются с потребителем мощности. ГТД широко используются в авиации, а также применяются в локомотивах, судах и автомобилях (в качестве транспортных двигателей) и для привода электрогенераторов, воздуходувок, нагнетателей и компрессоров (в качестве стационарных силовых установок). Термический к.п.д. ГТД не меньше, чем у других ДВС. В них, в отличие от поршневых ДВС, возможно полное адиабатное расширение отработавших газов до атмосферного давления, они могут выполняться с высокими числами оборотов, а это дает возможность сосредоточить весьма большие мощности в одном силовом агрегате при относительно малых массогабаритных показателях, что недостижимо в поршневых ДВС. Мощность и экономичность ГТД с увеличением скорости не уменьшается, как у поршневых ДВС, а увеличивается, кроме того, в ГТД возможно применение регенерации теплоты. В автомобильных двухвальных ГТД применяют центростремительные (компрессорные) и осевые (тяговые) турбины, а для работы двигателя на разных режимах используют устройства поворотных лопаток тяговой турбины или применяют обгонные муфты между компрессорной или тяговой турбинами, что значительно не только усложняет конструкцию двигателя, увеличивает его массу, размеры и стоимость, но и качественно совершенствует ГТД как силовое устройство. ГТД отличаются высокими пусковыми качествами, хорошей балансировкой и уравновешенностью. В идеальном ГТД воздух засасывается компрессором, сжимается до требуемого давления и подается в камеру сгорания, куда также подается жидкое или газообразное топливо. Образовавшаяся таким образом в камере сгорания топливная смесь при требуемой температуре, регулируемой количеством подаваемого воздуха (воздух подается с избытком, чтобы обеспечить приемлемые температуры сгорания), воспламеняется и расширяющиеся газы поступают в сопла газовой турбины, где их энергия деформации в процессе адиабатного расширения через лопатки турбины переходит в кинетическую энергию газового скоростного потока и кинетическую энергию вращения ротора и выходного вала отбора мощности, где и преобразуется в механическую работу. Способ осуществления рабочего цикла ГТД заключается в одновременном воплощении последовательности термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения и отличается воплощением термодинамического процесса непрерывного или пульсирующего подвода теплоты. Поэтому циклы ГТД осуществляются по тем же термодинамическим процессам, что и в обычных поршневых ДВС: с подводом тепла при постоянном давлении (наиболее распространенный) и с подводом тепла при постоянном объеме. Термический к.п.д. цикла ГТД с изобарным подводом тепла увеличивается с возрастанием степени повышения давления в компрессоре (степени сжатия), а с изохорным подводом тепла увеличивается с возрастанием степени повышения давления в компрессоре и возрастанием степени изохорного увеличения давления. Однако высокие температуры оказывают разрушительное действие в ГТД (особенно на лопатки газовой турбины), что почти не отражается на работе поршневых ДВС, так как в последних сравнительно легко осуществляется охлаждение цилиндра и поршня, кроме того, воздействие высоких температур происходит периодически, по тактности ДВС, а не непрерывно, как в ГТД. Таким образом, температура продуктов сгорания топливной смеси ограничивает рост степени повышения давления в компрессоре и возрастание степени изохорного увеличения давления, откуда следует, что дальнейшее повышение термического к.п.д. ГТД не может быть решено созданием прочных и более жаростойких материалов. Сжатие воздуха в компрессоре по изотерме и расширение газов по изотерме осуществить невозможно из-за наличия внутренних потерь. Необходимо максимально приблизить действительный цикл газотурбинного двигателя к обобщенному циклу Карно для того, чтобы получить наибольший термический к.п.д., характеризующий совершенство преобразования тепловой энергии в тепловой машине. Для осуществления этого прибегают к многоступенчатому сжатию воздуха в компрессоре с промежуточным охлаждением воздуха и многоступенчатому расширению газов в турбине с промежуточным подводом им тепла. Наиболее оптимальным считается цикл ГТД с двумя-тремя ступенями сжатия и одной-двумя ступенями расширения, так как дальнейшее увеличение числа ступеней незначительно увеличивает рост термического к.п.д., но значительно усложняет и удорожает конструкцию ГТД. Применение регенерации тепла и ступенчатого сжатия и расширения способствует увеличению термического к.п.д., как цикла с изобарным подводом тепла, так и цикла с изохорным подводом тепла, однако в последнем регенерация тепла осуществляется при постоянном давлении, что вызвано более простым конструктивным осуществлением процесса регенерации. Эффективность и степень совершенства любого термодинамического цикла определяется значением термического к.п.д. цикла. Однако для сравнения к.п.д. различных циклов необходимо принять некоторое количество одинаковых условий, которые выявят более совершенный цикл, так как термический к.п.д. зависит и от степени сжатия, и от степени повышения давления, и от степени предварительного расширения. Если сравнивать циклы ГТД с подводом тепла при одинаковых минимальных и максимальных температурах и с одинаковыми степенями повышения давления в компрессоре, что равносильно одинаковым степеням сжатия, то так же, как и в циклах поршневых ДВС, термический к.п.д. в цикле с подводом тепла при постоянном объеме будет больше термического к.п.д. в цикле с подводом тепла при постоянном давлении. Аналогичная ситуация наблюдается в бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателях, например, при одинаковой степени сжатия и одинаковом количестве подведенного тепла термический к.п.д. цикла с изохорным процессом (пульсирующий двигатель) больше термического к.п.д. цикла с изобарным подводом тепла. Если принять условия по температурам те же, а по степени повышения давления другие, например, степень повышения давления с изохорным подводом тепла меньше, чем с изобарным, то и термический к.п.д. первого цикла будет меньше термического к.п.д. второго цикла, то есть в рассматриваемых данных условиях цикл работы ДВС с высокой степенью сжатия эффективнее цикла работы ДВС с низкой степенью сжатия. Термический к.п.д. цикла со смешанным подводом тепла имеет промежуточное значение по сравнению с термическими к.п.д. двух других циклов работы ДВС.
Несмотря на то, что способ осуществления рабочего цикла ГТД отличается от способа рабочего цикла ДВС возможностью одновременного воплощения последовательности термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения при раздельном смесеобразовании топливной смеси и принудительным ее воспламенением в камере сгорания, рабочий цикл ГТД реализует в работу теплоту малых давлений рабочего тела в больших объемах расширения, тогда как рабочий цикл ДВС реализует в работу теплоту больших давлений рабочего тела в малых объемах расширения. Поэтому в ГТД, кроме разрушительных действий высокотемпературных режимов, имеются недостатки, связанные с запуском и прогревом двигателя, большим потреблением топлива при малых оборотах и неполным его сгоранием, имеется склонность к помпажу компрессора и разносу турбины при внезапном сбросе нагрузки, а также создается значительный уровень шумов выхлопных отработавших газов, что ограничивает возможности их широкого применения.
Поиски технических решений по созданию ТД, имеющих выходной вал отбора мощности и воплощающих в себе лучшие качества поршневых и газотурбинных двигателей с устранением присущих этим двигателям недостатков, привели к созданию серии ротационных двигателей: роторно-поршневых и поршневых турбинных (см. заявки ПНР №268245, №268246, №272915, кл. F 02 В, 1989 г., а также патент США 3757515, кл. F 02 В, 1973 г. и международную заявку №84/04354, кл. F 02 В, 1984 г.). Одновременно с конструктивными усовершенствованиями известны способы совершенствования топливного смесеобразования, например, см. Авторское свидетельство СССР №1404676, 4 F 02 М 29/00 от 05.11.86.
Наиболее интересным и рациональным оказался роторно-поршневой двигатель (РПД) Феликса Ванкеля, работающий по термодинамическому циклу карбюраторного ДВС, но имеющий совершенно другое конструктивное оформление. Корпус РПД является аналогом цилиндра обычного поршневого ДВС, он неподвижен и внутренние стенки его, выполненные по специальной кривой эпитрохоиде, имеют двухэпитрохоидальный профиль и охлаждаются жидкостью. В торцевых стенках корпуса, присоединяемых к нему на болтах, установлены подшипники, в которых вращается эксцентриковый рабочий вал со свободно насаженным на нем роторным криволинейным выпуклым треугольным поршнем, торцы которого снабжены уплотняющими пластинами и скользят по эпитройхоиде корпуса-цилиндра, а между корпусом-цилиндром и ротором-поршнем создаются секции, полностью изолированные друг от друга и изменяющиеся при вращении ротора-поршня по объему. За один оборот ротора-поршня происходит четыре изменения объема секций и при этом совершается три оборота эксцентрикого вала, являющегося одновременно валом отбора мощности. У РПД нет клапанного газораспределительного механизма, его заменяют впускные и выпускные отверстия, открываемые и закрываемые в нужные моменты времени гранями вращающегося ротора-поршня. Эти отверстия, работая с большей частотой, чем впускные и выпускные отверстия поршневых ДВС, обеспечивают непрерывность потока подачи топливной смеси и отвода отработавших газов, что положительно сказывается на эффективности протекания процесса впуска и выпуска РПД по сравнению с поршневыми ДВС. Температуры стенок цилиндра поршневого ДВС и стенок корпуса-цилиндра РПД различаются в пользу последнего, что положительно сказывается на характере протекания отдельных процессов рабочего цикла РПД, например, возможности получения более высокой степени сжатия при большей стойкости к детонационному сгоранию топливной смеси, хотя детонация в РПД так же нежелательна, как и в поршневых ДВС. Удельный вес и габариты РПД значительно меньше, чем обычных поршневых ДВС, что является их большим и неоспоримым достоинством. Внешние скоростные характеристики РПД уступают аналогичным характеристикам четырехтактных поршневых ДВС и сравнимы с характеристиками двухтактных поршневых ДВС, особенно при больших оборотах, однако РПД проигрывают поршневым ДВС по топливной экономичности. Существенной проблемой для РПД является уплотнение трущихся сопрягаемых поверхностей, образующих газовые секции, их износостойкость и соответственно низкий ресурс работы РПД. Камера сгорания в РПД имеет удлиненную форму и практически не подлежит дальнейшим конструктивным изменениям из-за ее формообразования при сопряжении корпуса-цилиндра и ротора-поршня.
Обладая рядом существенных преимуществ перед поршневыми ДВС, РПД имеют такую же жесткую функциональную зависимость, но уже не возвратно-поступательного, а вращательного движения ротора-поршня от угловой скорости вращения выходного вала отбора мощности, изменяемой в результате воздействия внешней переменной нагрузки, что неизбежно отражается на внешних скоростных характеристиках РПД, а также токсичности его выхлопных газов. Хотя РПД существуют (с 1957г.) около 50 лет и имеют целый ряд преимуществ в сравнении с поршневыми ДВС и ГТД, очевидно, что они не получат массового распространения среди ДВС из-за их топливной экономичности, а также конструктивного образования рабочих секций (в том числе камеры сгорания) и вызванных при этом ограничениях по совершенствованию РПД с целью приближения действительных термодинамических процессов двигателя к теоретическим термодинамическим процессам обобщенного цикла Карно. Наиболее вероятное их массовое применение в качестве роторно-поршневых компрессоров (РПК) для сжатия воздуха (газов), где эффективность их работы будет значительно выше.
Известны также малораспространенные разновидности ТД, отличающиеся от ДВС, ГТД и РПД, как способами работы, так и устройствами конструкций.
Свободнопоршневая машина или двигатель со свободно движущими поршнями, двухтактный двигатель с прямоточной продувкой, в котором отсутствует кривошипно-ползунный механизм, то есть возвратно-поступательное движение поршня не превращается во вращательное движение коленчатого вала. Прямой, или рабочий ход поршни, движущиеся в противоположных направлениях, совершают под действием газов в цилиндре двигателя, а обратный - под действием сжатого воздуха в компрессорных или буферных полостях. Работа свободнопоршневой машины возможна при симметричности перемещения поршней, обеспечиваемой синхронизирующим механизмом - шатунно-шарнирным или реечно-шестеренным.
Установки со свободнопоршневыми генераторами газов (СПГГ) представляют собой ДВС, спаренный с компрессором; выполняются в виде свободнопоршневой машины. Обычная конструкция СПГГ имеет 2 разбегающихся поршня, каждый из которых жестко связан с поршнем компрессора. Смесь выпускных газов двигателя и сжатого воздуха компрессора служит рабочим телом газовой турбины. Соединение СПГГ и газовой турбины - один из типов КДВС. СПГГ являются разновидностью КДВС, у которых мощность поршневого двигателя используется для привода компрессора, а мощность газовой турбины отдается потребителю. Такое соединение агрегатов комбинированного двигателя возможно при определенном уровне форсировки рабочего процесса, при котором мощность поршневого двигателя равна мощности, потребляемой компрессором. В этом случае двигатель в агрегате с компрессором становится генератором горячего газа, используемого в газовой турбине для приведения в действие движителя или машин-орудий.
Свободнопоршневой двигатель-компрессор (СПДК) также является свободнопоршневой машиной, в которой энергия, получаемая в цилиндре двигателя, непосредственно отдается поршням компрессора, связанным с рабочими поршнями двигателя без промежуточных механизмов. Часть сжатого воздуха расходуется на продувку цилиндра двигателя, а большая часть остального сжатого воздуха поступает к потребителю.
Компрессорный двигатель (КД) - ДВС, как правило, дизель, в котором топливо подается в цилиндры воздухом, сжатым до 6 МПа. Вследствие значительной массы и габаритов, а также сложности регулирования давления воздуха при различной частоте вращения коленчатого вала КД в качестве транспортных (за исключением судовых) не применяются.
Свое дальнейшее развитие КДВС получили в роторных поршневых турбинных двигателях (РПТД), в которых цилиндры располагаются по периферии газовой турбины в аксиальном или радиальном направлении относительно ее выходного вала. В каждом цилиндре РПТД размещается поршень или пара противолежащих поршней, которые совершают возвратно-поступательное управляемое движение, осуществляемое механическими механизмами вращательного действия (кулачковыми и т.п.) или пневматическими механизмами. Известные РПТД имеют большое разнообразие схем связи между различными силовыми частями двигателя и разделяются по этому признаку на двигатели с механической, гидравлической, пневматической (газовой) и комбинированной связью. В двигателе используется двухстороннее действие поршня (с одной стороны поршня происходит впуск и сжатие воздуха или топливной смеси, а с другой стороны поршня осуществляется воспламенение топливной смеси и расширение продуктов сгорания). Превращаемая таким образом тепловая энергия через энергию деформации газовой смеси в процессе осуществления такта рабочего хода и выпуска частично переходит в кинетическую энергию газового потока и преобразуется в кинетическую энергию вращения газовой турбины (выходного вала отбора мощности), а частично затрачивается в процессе формирования такта впуска и сжатия на энергию деформации вновь создаваемой топливной смеси или воздуха. Газораспределение в РПТД осуществляется распределительными клапанами возвратно-поступательного или вращательного действия. Поршни в цилиндрах РПТД возвращаются в свое исходное положение при механическом приводном механизме - самим механизмом, а при пневматическом приводном механизме - пружиной (за счет энергии деформации предварительно сжатой пружины на такте рабочего хода). Следовательно, одни РПТД с механическими приводными механизмами работают с постоянной (жесткой) функциональной зависимостью от угла поворота выходного вала отбора мощности, а другие РПТД с пневматическими приводными механизмами работают с переменной (более гибкой) функциональной зависимостью от угла поворота выходного вала отбора мощности, а это значит, что они менее зависимы от воздействия приложенной к нему внешней переменной нагрузки. Преобразование кинетической энергии вращения между газовой турбиной и выходным валом отбора мощности в любом случае может осуществляться напрямую или через различные усиливающие или ослабляющие механизмы, а также их комбинации.
РПТД, не связанный жесткой функциональной механической зависимостью взаимного движения поршней в цилиндрах от угла поворота выходного вала отбора мощности, представлен в патенте США 3757515, кл. F 02 В, 1973 г. В двигателе решены проблемы взаимосвязанного механического движения поршней, так как скорости их движения ограничивались порогом критического уровня поршневой системы и ее компонентов. В этом поршневом турбинном двигателе изменен способ работы, что позволило отказаться от взаимного механического движения поршней. Выхлопные газы в одной камере сгорания расширяются и, сжимая установленную за поршнем пружину, поступают на газовую турбину и одновременно вводят топливо и воздух в другую камеру сгорания. Таким образом, цикл двигателя периодически повторяется от одной камеры к другой камере, которые установлены по периферии турбины. В этом двигателе, в отличие от поршневых ДВС, частота перемещения поршней осуществляется поршневым пневматическим механизмом и жестко не зависит от угловой скорости вращения газовой турбины и выходного вала отбора мощности. Внешняя нагрузка в процессе расширения выхлопных газов мало влияет на топливное смесеобразование в процессе сжатия, что сказывается на устойчивой работе двигателя и способствует лучшей приспособляемости двигателя к изменению угловой скорости вращения газовой турбины и повышению его мощности. В газораспределительном механизме предусмотрена система автоматического открытия и закрытия распределительных клапанов, соответствующих камер сгорания, синхронизирующих и самонастраивающих работу двигателя.
Однако двигатель, представленный в патенте США 3757515, кл. F 02 В, 1973 г., имеет ряд существенных недостатков, присущих для поршневых ДВС. Это прежде всего возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре и клапанов газораспределительного механизма, охлаждение цилиндра в районе камеры сгорания охлаждающей жидкостью (непроизводительные тепловые потери), наличие пружины сжатия, работающей с большой цикличностью в зоне высокотемпературного режима. Отказ в работе любого элемента в одной поршневой группе (пружины сжатия, свечи зажигания, распределительные клапана, поршни и поршневые кольца и т.п.) приводит в конечном итоге к отказу всего двигателя, так как последовательность цикла его работы нарушается. Отказ в работе одного цилиндра автоматически вызывает несрабатывание в последующем цилиндре.
Авторское свидетельство СССР №1404676, 4 F 02 М 29/00 от 05.11.86 "Способ гомогенизации горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания и устройство для его осуществления". Предложен способ гомогенизации горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания, заключающийся в том, что смешивают топливо с воздухом, образовавшуюся горючую смесь направляют на испарительные теплообменные поверхности, нагреваемые потоком жидкого теплоносителя, пропускаемого через полости теплообменных поверхностей, подключенных к системе охлаждения, испаряют топливо и направляют горючую смесь в цилиндры двигателя, отличающийся тем, что с целью повышения интенсификации процесса смесеобразования и степени гомогенности горючей смеси, в потоке теплоносителя генерируют искровые электрические разряды с образованием ударных волн, последние преобразуют в плоские и направляют их на теплообменные поверхности в виде пучков, причем горючую смесь топлива с воздухом направляют с помощью контакта ее со всей испарительной поверхностью, а испарение топлива осуществляют в режиме ударной вибрации как на испарительных поверхностях, так и в объеме потока горючей смеси... (далее следуют четыре разновидности реализации способа).
Данный усовершенствованный способ внешнего смесеобразования способствует увеличению скорости сгорания топливной смеси, следовательно, в конечном итоге увеличивает термический и другие к.п.д. ТД, однако, даже при совместной ультразвуковой обработке топлива и его полном сгорании при качественной подготовке топливных компонентов не позволяет достигнуть более высокой скорости сгорания из-за низкого уровня молекулярной активации реагирующих между собой молекул. Более возбужденное молекулярное состояние реагирующих между собой молекул топливных компонентов можно получить только при усовершенствованном способе внутреннего смесеобразования, а также соответствующей (электротермической обработке) подготовке топливных компонентов, что при полном сгорании топлива позволит значительно увеличить скорость сгорания топливной смеси и приблизить ее к детонационной (взрывной) скорости сгорания. Это неизбежно приведет к пересмотру конструкции устройств, способных при высокотемпературных режимах и больших скоростях сгорания преобразовывать тепловую энергию в механическую работу.
Обзор уровня техники энергетических машин по преобразованию тепловой энергии в механическую работу сводился к рассмотрению объемных (поршневых и роторно-поршневых) и лопаточных (роторно-турбинных) ТД. Поршневые ТД объемных устройств с множеством разнообразных силовых механизмов (рычажные, зубчатые и кулачковые, в том числе кривошипно-ползунные, кулисно-рычажные, рычажно-кулачковые, рычажно-зубчатые, рычажно-храповые и т.п.) преобразуют энергию деформации рабочего тела в механическую работу с помощью поршня, перемещающегося в цилиндре. При этом объем периодически меняется вместе с другими термодинамическими параметрами по способам осуществления рабочего цикла ДВС (2- или 4-тактная раздельная последовательность воплощения термодинамических процессов с отличиями процессов подвода теплоты). У РПД между ротором и статором объем образуемых камер тоже периодически меняется вместе с другими термодинамическими параметрами. Они по принципу действия, так же, как и поршневые, являются машинами объемного типа, однако по равномерности вращения главного вала приближаются к лопаточным машинам вследствие отсутствия кривошипно-ползунного механизма и наличия нескольких камер сгорания по окружности ротора. Роторно-турбинные ТД являются машинами лопаточного устройства и преобразуют кинетическую энергию движущегося рабочего тела в кинетическую энергию вращения ротора по способам осуществления рабочего цикла ГТД (одновременная последовательность воплощения термодинамических процессов с отличиями процессов подвода теплоты), при этом передача мощности происходит через изменение момента импульса при проходе рабочего тела сквозь турбинное колесо. Благодаря хорошей экономичности, компактности, надежности и возможности осуществить большую единичную мощность турбина практически вытеснила поршневые паровые машины из современной энергетики. Обзор существующих ТД объемных или лопаточных устройств, сводимый к предпочтительному преобразованию энергии рабочего тела в механическую работу на выходном валу отбора мощности, характеризуется к.п.д. ТД с выявлением достоинств и недостатков, присущих ТД. Необходимость создания ТД, воплощающего тенденции дальнейшего совершенствования двигателестроения, напрашивается из сравнительного обобщающего анализа существующих ТД, которые были рассмотрены в изложенном обзоре аналогов и прототипов (ДВС, РПД, ГТД, в том числе КДВС, СПГГ и СПДК, РПД и РПТД).
Поставленные цели и задачи, решаемые данным изобретением, заключаются в повышении к.п.д. нового ТД на основе многофакторного теоретического анализа, в частности энергетического и эксергетического балансов ТД, при изменении способов работы и устройств конструкции ТД в результате пересмотра работы всех функциональных систем ТД, включая топливное смесеобразование с преобразованием атомно-молекулярной энергии топливной смеси в механическую работу.
В любой термодинамической системе, в том числе ДВС или иной другой тепловой машине, совокупность макроскопических тел, взаимодействующих между собой и с другими телами, происходит (согласно закону сохранения материи) в виде обмена энергией и веществом. Практически изменение внутренней энергии ТД осуществляется двумя принципиально различными способами: теплообменом и совершением работы. Так, преобразование химической (молекулярной или атомной) энергии топливной смеси при ее сгорании происходит в результате макроскопического упорядоченного движения микрочастиц продуктов сгорания, с последующим превращением их импульсов сил в механическую работу. В итоге их обмена, в виде хаотического ненаправленного движения микрочастиц (теплообмен между веществами), происходящие процессы осуществляются как внутри рассматриваемой термодинамической системы (внутренняя среда), так и с другими телами (внешняя среда). Совокупность кинетической энергии теплового поступательного и вращательного движения молекул, кинетическая и потенциальная энергии колебаний атомов в молекулах, потенциальная энергия, обусловленная межмолекулярными взаимодействиями, энергия электронных оболочек атомов и ионов составляет внутреннюю энергию термодинамической системы, в которой перенос энергии теплового движения происходит при разности температур частей материи в результате их соприкосновения или беспорядочных, спонтанных электромагнитных колебаний. Внутренняя энергия зависит от термодинамического состояния системы, она является однозначной функцией термодинамического состояния системы, и значение внутренней энергии в любом состоянии не зависит от того, с помощью какого процесса система пришла в данное состояние. А так как внутренняя энергия термодинамической системы состоит из суммы свободной и связанной энергий, то необходимым и достаточным условием равновесия термодинамической системы будет условие минимума свободной энергии. Свободная энергия, энтальпия и внутренняя энергия являются термодинамическими потенциалами, и при равновесных (неравновесных) термодинамических процессах, в которых остаются постоянными некоторые из параметров системы (при изотермических, изобарных, адиабатных, политропных процессах), убывание термодинамических потенциалов равно (больше) совершаемой системой работе. Математически любое возможное элементарное изменение внутренней энергии является полным (точным) дифференциалом (точно таким же свойством обладает и энтропия). Термодинамическая система любого реального ТД, открытая, обменивающаяся энергией и веществом с другими системами, поэтому параметры состояния термодинамической системы, находящейся в неравновесном механическом и термическом состоянии, взаимосвязаны между собой и постоянно изменяются в процессе ее взаимодействия с внешней средой. Внутренняя энергия, давление и объем определяются состоянием термодинамической системы ТД в функциональной зависимости от температуры в виде энтальпии, при этом энтропия рабочего тела изменяется от количества переданной (подведенной или отведенной) теплоты. В самом общем случае, когда термодинамическая система, кроме работы расширения, выполняет еще какую-либо работу, например работу намагничивания, теплообмена, излучения и другие, то сообщенное системе количество теплоты определяется изменением энтальпии (изменением "теплосодержания"), которая подобно внутренней энергии является функцией состояния системы. При этом происходящие термодинамические процессы, определяемые функциональными зависимостями давления от объема и температуры от энтропии, соответственно характеризуют совершаемую работу и теплообмен с внешней средой (а энтропия рассматривается как мера тепловой неработоспособности рабочего тела), способны совершить работу, обеспечивающую равенство моментов на выходном валу двигателя. Теплоемкость рабочего тела зависит от характера термодинамического процесса, при котором подводится или отводится теплота, она не зависит ни от объема, ни от давления, а однозначно является функцией температуры, определяя при этом потенциальную возможность передачи теплоты. Температура равновесного состояния системы пропорциональна кинетической энергии микрочастиц рабочего тела (газ, воздух, водяной пар и т.п.), она является очевидным признаком возможности передачи энергии при теплообмене в виде теплоты, так как температура предопределяет термическое равновесие термодинамической системы. Давление рабочего тела определяется отношением суммы нормальных к поверхности составляющих сил, образующихся вследствие ударов о поверхность хаотически движущихся микрочастиц рабочего тела, к площади поверхности. Давление предопределяет потенциальную возможность совершения работы. Объем рабочего тела в термодинамическом процессе неразрывно связан с параметрами его давления, которое может оставаться постоянным или функционально зависеть от объема, так как объем предопределяет механическое равновесие термодинамической системы. При неравновесном состоянии термодинамической системы в течение некоторого времени возможно совершение механической работы за счет уменьшения внутренней энергии (ее составляющей части свободной энергии) термодинамической системы ТД, однако при равновесном ее состоянии совершение механической работы невозможно, несмотря на то, что рабочие тела обладают определенным потенциальным запасом внутренней энергии. Подведенное к термодинамической системе ТД некоторое количество теплоты приводит в общем случае к изменению внутренней энергии системы и совершению внешней положительной работы, возможной только при увеличении ее объема. Изменение внутренней энергии рабочего тела определяется только разностью ее конечного и начального состояний, тогда как внешняя работа зависит от характера термодинамического процесса, что приводит к изменению кинетической энергии и энергии деформации (потенциальной энергии) рабочего тела. Любые естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического и т.п.). В любом разомкнутом термодинамическом процессе при увеличении объема совершается положительная работа, но процесс расширения не может продолжаться бесконечно, и, следовательно, возможность циклического преобразования выделяемой при сгорании топлива теплоты в механическую работу ограничена. Каждый элементарный процесс, входящий в термодинамический цикл, осуществляется при подводе или отводе теплоты, сопровождается совершением положительной или отрицательной работы, увеличением или уменьшением внутренней энергии рабочего тела, но всегда при выполнении условия сохранения энергии, которая не возникает и не исчезает из ничего, а переходит из одной формы материи в другую. Следовательно, условия работы любого ТД сводятся к необходимости горячего (подводящего) и холодного (отводящего) источников теплоты, циклической работе двигателя и передаче части количества теплоты, полученной от горячего источника, холодному источнику, в том числе и без превращения ее в механическую работу, что объясняется принципиально неустранимыми тепловыми потерями (взаимосвязанные процессы кинетики экзотермических и эндотермических реакций горения и тепло, уносимое с выхлопными газами), а также принципиально устранимыми тепловыми потерями (плохое смесеобразование, физическая неполнота сгорания топливной смеси, теплообмен с элементами конструкции ТД, процессы газообмена, тепловые потери, соответствующие механическим потерям в результате трения сопрягаемых деталей узлов и механизмов ТД и т.п.). Результирующая работа термодинамического цикла определяется разностью работ расширения и сжатия. Экономичность работы ТД тем выше, чем больше работа цикла при заданном подводе теплоты, что определяется термическим к.п.д., который характеризует отношение полезно использованной в цикле теплоты (или полученной работы) ко всему количеству теплоты, затраченному на цикл подвода теплоты. В качестве холодного (отводящего) источника теплоты обычно используется температура окружающего воздуха (внешняя среда). Для получения горячего (подводящего) источника теплоты внутри ТД производят сжигание топлива, поэтому очень важно создать необходимые условия для качественного воспламенения и горения топлива, чтобы в отведенном временном интервале при минимальном топливном потреблении обеспечить его полное сгорание с максимальным тепловыделением (подводом теплоты). В качестве топлива применяются горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения значительного количества теплоты, выделившейся в результате термохимических реакций окисления топливной смеси с образованием раскаленных продуктов полного сгорания (дымовых газов). В основном это топлива органического происхождения жидкого или газообразного состояния (природные или искусственные), при использовании которых теплота выделяется в результате происходящих термохимических реакций соединения горючих элементов топлива (углерода, водорода, серы, кислорода и азота, находящихся в виде разнообразных сложных химических соединений, составляющих горючую массу топлива) с окислителем (обычно кислород атмосферного воздуха). Углеводороды, как продукты нефтеперегонки, входящие в состав топлив для ДВС, подразделяются на четыре основные группы, имеющие свои характерные особенности: алканы (парафиновый ряд), алкены (олефиновый ряд), цикланы (нафтеновый ряд) и ароматики. В основном моторные топлива состоят из атомов углерода, связанных между собой атомами водорода, причем эти соединения весьма многообразны как по числу атомов в молекуле, так и по структуре молекулярных соединений, что неизбежно отражается на физико-химических свойствах множества компонентов моторных топлив (агрегатное состояние, плотность, вязкость, детонационная стойкость и многие другие характеристики). Углерод и водород, как основные топливные компоненты, представляют самую ценную энергетическую часть топлива, так как 1 кг углерода при полном сгорании с превращением в углекислый газ выделяет 33,65 МДж, а 1 кг водорода выделяет 141,5 МДж с превращением в воду. В топливе водород частично находится в связанном виде, составляя внутреннюю влагу топлива, что понижает его тепловую ценность. Водород играет большую роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха. При нагревании топлива без доступа воздуха ослабляются межмолекулярные связи между отдельными атомами и звеньями атомов. Наименее прочные связи свойственны более сложным органическим молекулам. Сложные молекулы распадаются на более простые звенья, образуя новые продукты сгорания с большей температурой воспламенения. Последними распадаются самые простые углеводороды - метан, этилен и другие. Наиболее прочные молекулы метана разрушаются при температуре свыше 600°С, распадаясь на водород и углерод, кристаллическая решетка которого позволяет газам (кислороду и другим) проникать между слоями и осуществлять объемное химическое реагирование. Поэтому водород при термической обработке топлива в составе летучих веществ может находиться в чистом виде, в виде углеводородных и других химических соединений. Кислород и азот являются внутренним балластом топлива, снижающим содержание горючих элементов: кислород связывает часть водорода в топливе, вследствие чего топливо частично обесценивается. Влага топлива, так же, как и зола - балластная составляющая часть рабочей массы топлива, снижает его энергетическую ценность. 1 кг серы, содержащейся в топливе в виде органических соединений и сернистых солей, при полном сгорании выделяет до 9 МДж, однако присутствие серы резко снижает качество топлива из-за образующихся при сгорании топлива сернистых газов, отрицательно влияющих на качество металла и других материалов, соприкасающихся с газами. Важнейшей характеристикой топлива является его теплота сгорания (количество теплоты, выделившееся при полном сгорании топлива). Она может быть высшей (идеальной) и низшей (реальной), которая меньше высшей на величину скрытой теплоты парообразования влаги, как содержащейся в топливе, так и образовавшейся при его сжигании. В общих чертах реакции горения связаны с изменением электронных оболочек атомов и не касаются их ядер, так как при химических реакциях ядра реагирующих элементов остаются нетронутыми и целиком переходят в молекулы новых, более стойких химических соединений. К образованию новых молекул приводят лишь столкновения активных молекул, обладающих в тот момент времени дополнительной энергией (энергией активации), достаточной для ослабления и разрушения внутримолекулярных связей, существовавших до их столкновения. Без разрушения этих связей не может быть осуществлена перегруппировка атомов сталкивающихся молекул. Осуществление прямой экзотермической реакции становится возможным после преодоления энергетического барьера от начального энергетического (усредненного) уровня до наибольшего уровня. Начавшаяся реакция затем самопроизвольно перейдет к более пониженному уровню с выделением соответствующего количества теплоты. Протекание обратной эндотермической реакции происходит с поглощением соответствующего количества теплоты, но для этого необходимо преодолеть более высокий энергетический барьер от пониженного до наибольшего энергетических уровней, причем с большей энергией активации сталкивающихся молекул. Компоненты химической реакции горения связаны между собой определенными стехиометрическими зависимостями, характеризующими суммарные количественные соотношения исходных и конечных продуктов сгорания топлива при теоретическом потреблении кислорода. Они не отражают последовательности сгорания топлива, так как в подавляющем большинстве химических реакций превращение начальных веществ в конечные происходит не непосредственно, а с образованием ряда промежуточных продуктов. В развитии цепной реакции ведущими являются активные частицы, легко вступающие в реакции с начальными или промежуточными веществами. Эти активные частицы представляют собой молекулы углеводородов после отщепления от них одного или нескольких атомов водорода или нескольких атомов с незамещенными валентностями, причем существование их мимолетно. Для начала химических реакций необходим возбудитель, каковым являются активные частицы, образующиеся в зоне действия электрического разряда (в карбюраторном ДВС) или наиболее нагретой части впрыснутого топлива (дизельные ДВС). Согласно теории цепных реакций, разработанной академиком Семеновым, горение представляет собой цепную реакцию с разветвленными цепями, в ходе которой каждая активная молекула быстро порождает ряд новых активных центров, ускоряющих протекание реакций. Так, при горении водорода образуются нестойкие промежуточные вещества - атомарный водород и кислород, а также гидроксильный радикал. Реакции между ними идут гораздо быстрее обычных молекулярных реакций в силу меньшей энергии активации. Горение окиси углерода протекает так же, как разветвленная цепная реакция, причем имеющийся в пламени окиси углерода атомарный кислород и водород, а также гидроксил, являются возбудителями молекулярных цепей. Горение углеводородистых соединений, в которых перечисленные газы являются основными составляющими газообразного топлива, также носит в целом цепной характер. Несмотря на быстрое развитие цепной реакции, непрерывного увеличения скорости горения может и не наблюдаться, так как одновременно с развитием и разветвлением реакционных цепей происходят и обратные явления, связанные с обрывом цепных реакций вследствие попадания активных частиц на стенки камеры сгорания или соударения с молекулами инертных газов. Поэтому характер процесса горения зависит от качественного и количественного соотношения возникающих и обрывающихся цепных реакций. Горение, как химический процесс соединения топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением с резким повышением температуры более стойких продуктов сгорания, во многом зависит от смесеобразования, воспламенения, распространения пламени, диффузии и начальной температуры, начального давления, концентрации, теплоемкости, теплообмена и многих других факторов (процессов и параметров), протекающих в условиях тесной взаимосвязи. Условия сгорания топлива в разных теплотехнических устройствах и подготовка их к сжиганию различны, как различны и сами топлива. В камерах сгорания ДВС и ГТД горение ведут с наибольшей полнотой и получают продукты более полного сгорания. В газогенераторах осуществляют газификационные процессы, в которых в качестве окислителей используют кислород, воздух, водяной пар и углекислый газ, в результате получают горючие газообразные продукты газификации, с общими по своей природе реакциями горения, что позволяет осуществлять двухстадийное сжигание топлива, например, в том же топочном устройстве или камере сгорания ДВС. При нагреве топлива без доступа воздуха выход летучих веществ неравномерен по времени и зависит для каждого вида конкретного топлива от температуры, однако чем больше качественный и количественный выход летучих веществ, тем ниже температура воспламенения, тем легче осуществить зажигание топлива с большей при прочих равных условиях величиной прозрачной или светящейся зоны газового объема, в которой протекает реакция горения, то есть с большим объемом пламени. Процесс воспламенения топлива всегда предшествует горению. Реакции окисления топливной смеси могут происходить и при невысоких температурах и атмосферном давлении, при этом выделяемое при реакции тепло будет теряться в окружающей среде и топливная смесь будет находиться в состоянии теплового равновесия. С увеличением температуры топливной смеси и стенок сосуда, в котором она находится, например, цилиндр или камера сгорания, тепловыделение от реакции окисления возрастет и наступит момент, когда тепловыделение от реакции окисления превзойдет отвод тепла от цилиндра или камеры сгорания, температура смеси резко (скачкообразно) возрастет, произойдет саморазгон реакции и смесь практически мгновенно сгорит. Если смешивать отдельно подогретые струи (потоки) горючего газа и воздуха, то при некоторой температуре произойдет воспламенение, а затем и горение топливной смеси. Процесс горения топливной смеси может начаться путем самовоспламенения или принудительного воспламенения, например, от электрического искрового разряда или небольшого факела. В этом случае произойдет вынужденное зажигание топливной смеси, в результате чего цепными реакциями горения будет охвачен весь объем благодаря распространению пламени, но уже не мгновенно, а с некоторой объемной скоростью горения. Следовательно, при воспламенении топливная смесь нуждается в дополнительном подводе тепла: чем быстрее повышается температура топливной смеси, тем интенсивнее протекает воспламенение. Очевидно, факторами, затягивающими воспламенение, являются: большая влажность топлива; повышенная температура воспламенения топлива; небольшая тепловоспринимающая поверхность топлива (плохое смесеобразование); низкая начальная температура топлива и подача в камеру сгорания не подогретого предварительно воздуха. Температура воспламенения топливной смеси (минимальная температура ее воспламенения) не является постоянной физико-химической величиной, тогда как пределы воспламенения и пределы взрываемости топливной смеси существуют одни и те же. Существует нижний и верхний пределы концентраций горючих газов в смеси с воздухом или с кислородом. Эти пределы для различных топлив не являются постоянными, а зависят от температуры, давления и степени завихрения топливной смеси, обеспечивающей контакт топлива с окислителем. При повышении температуры топливной смеси пределы воспламеняемости несколько расширяются, а при увеличении давления - сближаются. Остаточные газы в топливной смеси сужают предел воспламеняемости. Вне пределов концентрации топливные смеси не воспламеняются, однако, если содержание газа в смеси превышает верхний предел концентрации и газ не горит, то при истечении в атмосферу он способен гореть. Газообразными продуктами, образующимися в результате горения топливной смеси, являются продукты полного сгорания, а также продукты газификации и разложения. Поэтому для дожигания слишком обогащенных топливных смесей, а также продуктов перегонки, применяют острое дутье, под которым подразумевается дополнительная подача воздуха (в том числе и повторная, при значительном количестве продуктов газификации) в виде ряда струй, пересекающих с большой скоростью поток газов. Повышение температуры воздуха, идущего на сгорание, позволяет поднять калориметрическую, а следовательно, и действительную температуру сгорания топлива. Горение может быть гомогенным (более эффективное), при котором тепло и массообмен происходит между веществами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии (обычно газообразном, когда горение протекает значительно быстро и с большой выделяемой теплотой сгорания), и гетерогенным (менее эффективное), при котором тепло- и массообмен происходит между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях (больше свойственно жидкому и твердому топливам, когда топливо претерпевает предварительную тепловую подготовку, в процессе которой происходит прогрев частиц, испарение влаги и выделение летучих веществ). Горение жидкого топлива в существующих конструктивных разновидностях ДВС происходит в основном в парогазовой фазе, так как температура его кипения значительно ниже температуры его воспламенения. В любых теплотехнических устройствах, в том числе и в ДВС, необходимо проводить процесс горения топливной смеси с наибольшей скоростью горения и распространения пламени, с развитием высоких температур и выделением большого количества теплоты, что обуславливается кинетическими (физико-химическими) факторами, аэродинамическими факторами и физическими факторами осуществления процесса горения. Кинетика химических реакций горения в основном зависит от концентрации реагирующих веществ топливной смеси, давления и температуры, что объясняется общим числом межмолекулярных столкновений реагирующих веществ при осуществлении процесса горения с соответствующим выделением или поглощением теплоты при цепном характере протекания реакции. Увеличение концентрации реагирующих веществ приводит к возрастанию общего числа межмолекулярных столкновений и увеличению скорости протекания реакции между реагирующими веществами, в том числе и с образующимися при цепной реакции промежуточными продуктами горения. Скорость реакции согласно закону действующих масс пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. По мере течения реакции горения концентрация реагирующих веществ уменьшается и скорость реакции снижается, однако обратимые реакции не могут протекать до полного исчезновения исходных веществ при неизбежном наличии обратных реакций, сопровождающихся образованием исходных веществ из конечных и промежуточных продуктов, например, реакция углекислоты с водородом и окиси углерода с водяным паром. В подобных ситуациях при возникновении возможных обратных реакций наступает химическое подвижное (динамическое) равновесие, определяемое константой равновесия при вычислении равновесного состава газов и характеризуемое равенством скоростей прямой и обратной реакций. Скорость горения в ДВС имеет наибольшее значение с коэффициентом избытка воздуха в пределах 0,8...0,9 при несколько худшей экономичности топлива. С обогащением или обеднением топливной смеси скорость горения уменьшается, что объясняется главным образом снижением температуры: в богатой смеси, из-за физической неполноты сгорания при плохой топливной экономичности; в бедной смеси, из-за дополнительных тепловых потерь на нагрев избыточного воздуха при наилучшей топливной экономичности. Повышение начального давления вызывает небольшое увеличение скорости горения топливной смеси. При значительном обогащении топливной смеси наблюдается обратная зависимость, когда с повышением давления скорость заметно уменьшается. Зависимость скорости горения топливной смеси от степени сжатия объясняется влиянием начальной температуры, начального давления и наличием остаточных газов. Увеличение степени сжатия в ДВС приводит к повышению температуры и давления в конце такта сжатия, а также уменьшает относительное содержание остаточных газов в топливной смеси, что увеличивает скорость горения. Влияние давления на скорость реакций горения, протекающих при двух разных давлениях с постоянной температурой, зависит от порядка реакции, под которым понимают число молекул, вступающих в реакцию. Скорость реакции горения прямо пропорциональна давлению в степени порядка реакции. Скорость химической реакции окисления в сильнейшей степени зависит от температуры. Влияние температуры на скорость реакции значительно сильнее влияния концентрации реагирующих веществ (скорость реакции увеличивается и достигает максимума после выгорания 80...90% горючих веществ), так как увеличение начальной температуры топливной смеси и, тем более, ее последующее повышение, сопровождается увеличением скорости сгорания и вызвано возрастанием скорости протекания химической реакции из-за повышения активности молекул при росте температуры вследствие увеличения их кинетической энергии и возрастания общего числа межмолекулярных столкновений реагирующих веществ. Закон Аррениуса определяет константу скорости реакции, в зависимости от температуры, с поправкой на энергию активации реагирующих молекул. Значение энергии активации вносит поправку на эффективность межмолекулярных соударений, так как если энергия молекул будет меньше необходимой энергии их активации, то реагирующие молекулы будут нереакционноспособны. Если энергии активации недостаточно, то обычному воспламенению может предшествовать образование холодного пламени (прозрачного или со слабым свечением) при очень небольшом повышении температуры (примерно 100°С). Причем не каждое соударение молекул приводит к началу реакции, например, из ста тысяч столкновений молекул кислорода и водорода при температуре 27°С только одно приводит к реакции, а при повышении температуры до 327°С - уже тысяча. Увеличение температуры в 2 раза с 500°С до 1000°С при энергии активации 168 МДж/кмоль приводит к возрастанию скорости в 500 000 000 раз. Величина энергии активации реакций горения газовых смесей находится в пределах 85...170 МДж/кмоль. Это энергия, которой должны обладать молекулы в момент их столкновения, чтобы быть способными к химическому взаимодействию. Разность энергий активации прямой и обратной реакции составляет тепловой эффект химической реакции. Такие реакции характеризуются сильной экзотермичностью, обуславливающей рост температуры. Если же в реакциях участвуют свободные атомы, то в силу того, что не требуется затрачивать энергию на разрушение молекулярных связей, энергия активации будет невелика, например для реакции водорода с кислородом величина энергии активации 25,2 МДж/кмоль. Реакция горения газообразного топлива протекает практически мгновенно, что объясняется не только ее цепным характером и сильным температурным воздействием, но и обеспечением в камере сгорания ДВС хорошего контакта топлива с окислителем при их смесеобразовании, что является непременным условием интенсивного и полного сгорания топлива. В действительности скорость горения газов в большей мере определяется не скоростью химического реагирования, а лимитируется качеством топливного смесеобразования горючей смеси, обеспечивающим наиболее полное и интенсивное ее сгорание. Увеличение угловой скорости коленвала ДВС способствует повышению скорости сгорания топливной смеси вследствие более интенсивного ее завихрения, при этом скорость распространения фронта пламени может быть в 8...12 раз больше, чем без завихрения, так как обеспечивается интенсивное перемешивание и контакт топлива с воздухом. Однако в замкнутых объемах, заполненных топливной смесью и подвергнутых перед воспламенением воздействию высоких температур и давлений, может образоваться ударная волна, возникающая в результате спонтанных резонансных явлений химической реакции горения, представляющая собой очень быстро движущийся слой газа, вызывающая температурный скачок, самовоспламеняющий топливную смесь, и ее детонацию. Причиной детонации является образование активных перекисей, представляющих собой очень нестойкие разнообразные соединения первичных продуктов окисления углеводородных молекул, образующихся в результате взаимодействия активных молекул кислорода и топлива. Скорость сгорания топливной смеси при детонации достигает скорости детонационной волны и находится в пределах 1500...2000 м/сек. Горение топливной смеси сопровождается интенсивным тепловыделением и имеет взрывной характер, что приводит к нарушению нормального (теплового и механического) режима работы ДВС и его поломкам. Скорость равномерного распространения пламени обычно достигает 30...50 м/сек и не является точной характеристикой горючести газа, так как зависит от качественного и количественного состава топливной смеси, температуры ее предварительного подогрева и забалластированности инертными составляющими. Нормальная скорость распространения пламени представляет собой скорость движения пламени, нормальную к фронту горения, определяемую кинетикой реакции горения и теплопроводностью топливной смеси. При стационарном, стабилизированном горении фронт пламени неподвижен и топливная смесь поступает со скоростью движения фронта пламени, но изменение хотя бы одной из скоростей может вызвать отрыв или проскок пламени при раздельной подаче топлива и окислителя. Процесс горения имеет две области: кинетическую, в которой скорость горения топлива определяется скоростью химической реакции однородной топливной смеси (наиболее сильно ощущается при низких концентрациях, температурах и давлениях топливной смеси), и диффузионную, в которой (при высоких концентрациях и температурах) регулятором скорости выгорания является скорость смесеобразования отдельно вводимого топлива и окислителя. Примером кинетической области горения является горение однородной газовоздушной смеси. Диффузионно горит газообразное топливо, вводимое в реакционную камеру отдельно от окислителя. Скорость горения топлива зависит от тонкости его распыления, чему способствует понижение вязкости топлива, достигаемое его предварительным подогревом, а также от интенсивности испарения горючих веществ, увеличивающейся с количеством подводимой теплоты и от скорости смесеобразования (возрастанием поверхности контакта топлива с окислителем при смесеобразовании), несмотря на то, что процесс смесеобразования практически не зависит от температуры. При турбулентном движении газовоздушного потока горение топливной смеси в основном является диффузионным, тогда как кинетическое горение очень неустойчиво. Устойчивый непрерывный процесс горения требует стабилизации фронта воспламенения готовой (кинетическое горение) или образующейся (диффузионное горение) топливной смеси. Для этого с помощью местного торможения создаются зоны со скоростью потока меньше скорости распространения пламени; осуществляется непрерывное воспламенение топливной смеси от постороннего источника; на пути потока устанавливаются плохо обтекаемые тела, обеспечивающие обратную циркуляцию продуктов сгорания, поджигающих смесь. Форма камеры сгорания влияет на распространение пламени и распределение тепловых потоков в температурных полях термодинамической системы любого ТД, так как наименьшее соотношение поверхности камеры сгорания к ее объему сокращает тепловые потери и позволяет осуществить наиболее полное сгорание топливной смеси при более интенсивном тепловыделении.
Максимальное тепловыделение при обеспечении качественного сгорания топливной смеси со снижением количественного потребления топлива и токсичности выхлопных газов в существующих разновидностях ТД не доведено до предела, так же, как и преобразование выделяемой теплоты в механическую работу. В существующих конструктивных разновидностях всех поршневых ДВС, КДВС, РПД, СПГГ и РПТД при известных способах осуществления рабочего цикла ДВС практически нельзя получить качественного смесеобразования, следовательно, нельзя достичь теоретически максимально возможной теплоты сгорания, что объясняется малым цикличным временем подготовки смесеобразования (до 1/100...1/300 сек), обратимыми и необратимыми затратами выделившейся теплоты соответственно на испарение топлива и ее непроизводительными потерями в окружающую среду через систему охлаждения, в том числе и с существующими устройствами и способами регенерации тепловой энергии, что неизбежно сказывается на их технико-экономических показателях. В тепловом балансе различных ДВС распределение теплоты соотносится следующим образом: преобразуется в эффективную работу 0,25...0,45; отводится в охлаждающую среду 0,12...0,35; уносится с отработавшими газами 0,25...0,45; не выделяется из-за физической неполноты сгорания 0,01...0,05; не учитывается в результате других потерь 0,02...0,10. Что касается режимов работы ДВС в процессе их эксплуатации, то одни ДВС могут иметь режимы работы в пределах всего диапазона возможных режимов (транспортные условия работы), другие ДВС работают в узком диапазоне скоростных режимов при всех возможных нагрузках (стационарные условия работы) или имеют режимы работы, обусловленные винтовой характеристикой потребителя (судовые условия работы). Все ДВС работают, как правило, в условиях частых нарушений установившегося режима работы. Наиболее типичными возмущениями являются изменение внешней нагрузки и изменение заданного скоростного режима. Равновесные условия работы ДВС, наблюдаемые при равенстве крутящего момента двигателя и момента сопротивления нагрузки, характеризуют устойчивый, установившийся режим его работы без воздействия на органы управления (положительное самовыравнивание). Устойчивость режимов работы ДВС зависит не только от дисбаланса крутящих моментов двигателя и потребителя (нагрузки) при данном отклонении частоты вращения вала отбора мощности от установившейся, но и от теплового дисбаланса при изменении нагрузки, следовательно, механический и тепловой баланс двигателя взаимосвязаны между собой, характеризуют равновесные условия работы двигателя, определяемые равенством крутящих моментов. В поршневых ДВС (РПД) топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в ограниченный объем цилиндра (секции) двигателя. Образующиеся при сгорании высокотемпературные газы оказывают давление на поршень (ротор) и перемещают (вращают) его импульсом сил рабочего тела. В связи с возвратно-поступательным движением поршня (вращательным движением ротора) сгорание топлива происходит периодически (циклично) определенными порциями, причем сгоранию каждой порции предшествует ряд подготовительных процессов. КДВС включает поршневую часть, несколько компрессоров и газовых турбин, а также устройства для подвода и отвода теплоты, объединенные между собой общим рабочим телом. В качестве поршневой части КДВС обычно используется поршневой ДВС. Энергия КДВС передается потребителю через вал поршневой части или газовой турбины, а также обоими валами одновременно. Количество компрессоров и расширительных машин, их типы и конструкции, связь с поршневой частью или между собой определяются назначением КДВС, его схемой и условиями эксплуатации. Наиболее компактны и экономичны КДВС, в которых продолжение расширения выпускных газов поршневой части осуществляется в газовой турбине, а предварительное сжатие свежего заряда производится в центробежном компрессоре, причем мощность потребителю обычно передается через коленчатый вал поршневой части. Поршневой ДВС и газовая турбина в составе КДВС удачно дополняют друг друга: в первом наиболее эффективно в механическую работу преобразуется теплота малых объемов газа при высоком давлении, а в газовой турбине наилучшим образом используется теплота больших объемов газа при низком давлении. Многофункциональный анализ работы существующих ТД, в том числе и с применением теории силового потока, представляющей движение материальных потоков, протекающих в пространственно-временной системе координат, с количественным (изменяется состояние потока) и качественным (изменяется вид потока) преобразованием потоков при их взаимодействии между собой в узловых точках рассматриваемой конструкции, позволяет решить задачу превращения химической энергии топлива и ее преобразование в механическую работу с большими потенциальными возможностями, чем в существующих конструкциях ТД. В любом ТД качественное и количественное преобразование энергетических силовых потоков, происходящее в узловых точках ТД, осуществляется с некоторыми конструктивными и технологическими отличиями, заключающимися в устройствах конструкции и способах превращения и преобразования выделяемой химической энергии в механическую работу. Поэтому повышение к.п.д. ТД возможно только при максимальном превращении химической энергии и преобразовании тепловой энергии в механическую работу при снижении внутренних тепловых и механических потерь в ТД, что особенно важно для условий частого нарушения установившегося режима работы. Следовательно, повышение к.п.д. ТД возможно при пересмотре работы всех функциональных систем двигателя, на основе результатов многофункционального анализа в полном соответствии с теоретическими основами физики, химии, термодинамики, теплотехники, теории ДВС, теории горения и их практическими рекомендациями.
Таким образом, анализируя и подводя итоги изложенного материала, определяются решаемые данным изобретением задачи взаимосвязанного повышения различных к.п.д. ТД:
1) повышения термического к.п.д. ТД в результате сокращения принципиально неустранимых тепловых потерь двигателя (возможно только за счет тепла, уносимого с выхлопными газами) и принципиально устранимых тепловых потерь двигателя (потери смесеобразования, неполноты сгорания, а также непроизводительный теплообмен с элементами конструкции двигателя и т.п.).
2) повышения индикаторного и относительного к.п.д. ТД в результате восполнения тепловых потерь путем использования рекуперативного и регенеративного теплообмена в двигателе для подготовки топливных компонентов к внутреннему смесеобразованию и сгоранию топлива;
3) повышения механического к.п.д. ТД путем замены силового преобразующего устройства возвратно-поступательного движения на вращательное движение, в том числе и с целью сокращения непроизводительных механических потерь при самостоятельном распределении и перераспределении силовых энергетических потоков ТД для преодоления внутренней нагрузки и для преодоления внешней нагрузки;
4) повышения индикаторного к.п.д. ТД и увеличение крутящего момента, развиваемого двигателем, в том числе при малых оборотах выходного вала отбора мощности, путем осуществления практически независимого от внешней нагрузки внутреннего смесеобразования и подвода теплоты;
5) повышения эффективного к.п.д. ТД созданием и реализацией самоприспосабливающегося комбинированного бинарного рабочего цикла ТД (с использованием двух и более рабочих тел) при самоустанавливающемся по тепловому и механическому балансу двигателя подводе теплоты (при постоянном давлении, смешанном или при постоянном объеме), а также обеспечение экономии энергетических затрат в результате необходимого отключения отдельных устройств ТД.
Цели и задачи, решаемые данным изобретением по повышению к.п.д. и расширению функциональных возможностей ТД, достигаются предлагаемым способом работы теплового двигателя внутреннего сгорания Мазеина (ТДВСМ) и устройством его осуществления.
Анализ работы ТД и реализации их рабочих циклов позволяет качественно изменить способ работы ТД и устройство его осуществления. Пространственно-временное разделение, распределение и перераспределение силовых энергетических потоков, протекающих в узловых точках ТД с различными энергетическими преобразованиями при осуществлении термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, позволяет совместить противоречивые особенности работы различных ТД и реализовать их в ТДВСМ с повышенным к.п.д. и дополнительными функциональными возможностями. В ТДВСМ совмещены многие известные технические решения по способам работы и устройствам их осуществления. Конструктивные и технологические изменения в функциональных системах ТДВСМ выполнены взаимосвязанными многофункциональными механизмами и устройствами, которые совместно реализуют рабочий цикл в механическую работу. Таким образом, в ТДВСМ известные способы осуществления рабочего цикла, внутреннего смесеобразования, наполнения камеры сгорания, воспламенения топливной смеси, подвода теплоты и расширения рабочих тел усовершенствованы, так как осуществляются взаимосвязанными многофункциональными устройствами: боковыми модулями сжатия (МС); центральным модулем расширения (МР); тепловыми модулями (ТМ) и их газораспределительными механизмами (ГРМ); трехвальным поршневым ротором (ТПР); индивидуальными магистралями сжатия и расширения с каскадом разнообразных монтажно-теплообменных отсеков, сформированных при сборке ТДВСМ, в том числе и с ресивером ионизированного воздуха (РИВ).
В ТДВСМ применен способ работы ТД внутреннего сгорания, включающий (содержащий) рабочий цикл, в том числе и бинарный, с одновременной последовательностью воплощения термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения. Способом работы в ТД предусматривают раздельное поступление компонентов топливной смеси для внутреннего смесеобразования с предварительной обработкой компонентов топливной смеси перед впуском. Внутреннее сгорание топливной смеси осуществляют с непрерывным, смешанным или пульсирующим подводом теплоты в камере сгорания, в том числе с принудительным воспламенением от электрической искры или с впрыском легкого топлива. Продолженное (непрерывное) расширение рабочих тел осуществляют через объемные или лопаточные устройства, имеющие валы отбора мощности для совершения механической работы, включая вал для преодоления внешней нагрузки. Для повышения к.п.д. и расширения функциональных возможностей ТД, в частности по обеспечению устойчивой, надежной и безотказной работы ТД, дублируют работу раздельных индивидуальных функциональных систем сжатия, подвода теплоты и расширения, соединенных между собой как последовательно, так и параллельно при осуществлении термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения. Во время осуществления термодинамического процесса расширения разделяют механическую работу на собственные потребности ТД и на преодоление внешней нагрузки, при работе утилизируют тепловые потери ТД компонентами топливной смеси. В бинарном рабочем цикле ТД применяют как основные, так и дополнительные компоненты топливной смеси, например, моторное топливо и воздух, а также перекись водорода, воду или антифриз. Компоненты топливной смеси подают в процессе сжатия насосами и компрессорами по магистралям функциональных систем двигателя через последовательный ряд обратных клапанов в теплообменные отсеки. В теплообменных отсеках запасают компоненты топливной смеси, постоянно их восполняют во время работы и подготавливают теплообменными процессами к внутреннему смесеобразованию. В РИВ запасают, нагревают, ионизируют и озонируют сжатый воздух. В ГРМ камеры сгорания упреждают процесс подвода теплоты, совмещают его с завершением процесса сжатия (компонентов топливной смеси) и интенсифицируют процесс гомогенизации топливной смеси (топлива и воздуха). Для этого применяют электротермическую обработку сжатого озонированного воздуха и жидкого топлива в ГРМ, так как дополнительно подводят теплоту фазового превращения и осуществляют с жидким топливом фазовый переход первого рода. Завершают процесс сжатия внутренним смесеобразованием, образуют топливный заряд в камере сгорания, для чего открывают частично или полностью жиклеры плавающего поршня ГРМ приводом управления ГРМ и в камере сгорания ТМ образуют вихревую топку с самовоспламенением гомогенной турбулентной топливной смеси. В процессе подвода теплоты внутреннего сгорания в камере сгорания дублируют воспламенение и поддерживают горение топливной смеси электрическими разрядами, а также дополнительно окисляют топливную смесь перекисью водорода, чем обеспечивают надежное полное высокоскоростное сгорание топливной смеси и тепловыделение в камере сгорания. Высокоскоростное сгорание и тепловыделение в камере сгорания осуществляют как после, так и во время внутреннего смесеобразования с частотой колебательных возвратно-поступательных перемещений плавающего поршня ГРМ при избыточных давлениях процессов сжатия, которые сличают через плавающий поршень ГРМ с давлениями процессов подвода теплоты и расширения бинарных рабочих тел в камере сгорания перед последующим смесеобразованием. В процессе подвода теплоты внутреннего сгорания часть тепла используют для подготовки компонентов топливной смеси, в том числе в камере сгорания с комбинированным расширительным соплом подводят теплоту внешнего сгорания и постепенно нагревают воду, применяемую в незамкнутой системе охлаждения двигателя, совмещают процесс расширения рабочих тел с процессом подвода внешней теплоты и превращают в парогенераторе нагретую воду в перегретый пар, перемешивают в комбинированном расширительном сопле перегретый пар с истекающим газовым потоком в процессе расширения рабочих тел и создают комбинированный бинарный парогазовый поток. Тангенциально направленный суммарный импульс сил парогазового потока воздействует на трехвальный поршневой ротор, где преобразуют в механическую работу бинарный цикл больших давлений рабочих тел в малых герметичных объемах расширения и малые давления рабочих тел в больших негерметичных объемах расширения. При равенстве теплового и механического баланса двигателя ускоренным вращением вала тягового роторного колеса включают обгонные муфты и обеспечивают синхронное вращение валов роторных колес. Через роторные колеса ТПР в МР распределяют механическую работу на собственные потребности МС и на преодоление внешней нагрузки двигателя. При увеличении внешней нагрузки перераспределяют асинхронное вращение роторных колес, замедленным вращением вала тягового роторного колеса и (или) ускоренным вращением валов компрессорных роторных колес выключают обгонные муфты. Нарушенный тепловой и механический баланс двигателя корректируют ускоренным вращением валов компрессорных роторных колес и увеличивают поступление компонентов топливной смеси через групповой привод механической передачи и (или) привод управления ГРМ, восполняют собственные потребности двигателя и восстанавливают его устойчивую работу. Таким образом, образуют самонастраивающийся комбинированный бинарный рабочий цикл двигателя, в котором осуществляют как внутренний, так и внешний подвод теплоты для нагрева бинарных рабочих тел с одновременной последовательностью воплощения термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, где сравнивают по положению плавающего поршня ГРМ влияние внешней нагрузки с установленным уровнем смесеобразования и тепловыделения, сочетают их и совмещают с непрерывным или смешанным или пульсирующим подводом теплоты в камере сгорания, чем и обеспечивают в автоматическом режиме устойчивую работу ТД, самоприспосабливающегося к изменению внешней нагрузки с самоустанавливающимся перераспределением установленного смесеобразования в диапазоне внешних скоростных характеристик двигателя, а в системе управления "человек-машина" ручным режимом работы изменяют установленное смесеобразование, корректируя подачу компонентов топливной смеси через привод управления ГРМ, в частности их основной тепловыделяющей части (топлива и воздуха), и обеспечивают тепловыделение в камере сгорания, по усмотрению человека при определенных режимах работы ТД включают или отключают как частично, так и полностью, отдельные агрегаты ТД, например камеры сгорания, изменяют при этом мощность ТД, поддерживая тепловой и механический баланс в оптимальном диапазоне внешних скоростных характеристик ТД, обеспечивают его устойчивую работу.
Способ работы осуществляют в ТДВСМ взаимосвязанными многофункциональными устройствами, при этом устройство теплового двигателя внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием, подводом теплоты и продолженным расширением рабочих тел содержит корпус, размещенные в нем топливные и воздушные фильтры, насосы, компрессоры, стартеры, генераторы, газораспределительные механизмы и регулирующие устройства, камеры сгорания и объемные или лопаточные преобразующие силовые устройства с валами отбора мощности для совершения механической работы, включая вал для преодоления внешней нагрузки. Для повышения к.п.д. и расширения функциональных возможностей двигателя в ТД введены функционально самостоятельные боковые МС и центральный МР с ТМ. Тепловой двигатель создан модульным соединением, причем его индивидуальные магистрали сжатия и расширения (топливо-, масло-, газо- и воздухопроводы и т.п.) скрытно выполнены в модулях (МС, МР и ТМ), соединены между собой как последовательно, так и параллельно, и окончательно сформированы ТМ. В МС введены элементы, осуществляющие термодинамические процессы сжатия. В МР введены ТМ и элементы, соответственно осуществляющие термодинамические процессы внутреннего и внешнего подвода теплоты и расширения рабочих тел в бинарном рабочем цикле ТД. МС, закрытый кожухом, собран на основании, где установлены фильтры, роторные насосы, РПК, стартеры, генераторы и их валы пропущены через основание, в котором установлен групповой привод механической передачи, обеспечивающий кинематическое соединение валов между МС и МР. В основании выполнены открытые раздельные магистральные каналы сжатия функциональных систем впуска двигателя, куда установлены обратные клапаны для направленной подачи компонентов топливной смеси в МР. Через основание пропущены эжекторные трубки, соединенные с воздушным фильтром для удаления пыли. МР собран в корпусе, который соединен из двух боковых корпусных стенок. Корпусные стенки выполнены с теплообменными ребрами жесткости, разнообразными монтажными элементами и открытыми нераздельными каналами магистралей сжатия и расширения. Боковыми стенками при сборке корпуса сформирована конфигурация единой магистрали сжатия и расширения, а также разнообразные теплообменники, патрубки, фланцы и монтажные элементы, причем выпускные отверстия, центральный монтажно-теплообменный отсек и направляющие отверстия магистралей расширения соединены с периферийно размещенными большими и малыми монтажно-теплообменными отсеками магистралей сжатия. При этом в каждом большом монтажно-теплообменном отсеке сформирован патрубок с крепежным фланцем. Внутри патрубка сформированы малые монтажно-теплообменные отсеки и в магистралях сжатия установлены обратные клапаны для направленной односторонней подачи компонентов топливной смеси в ТМ. В центральный монтажно-теплообменный отсек введен ТПР, установленный между боковыми корпусными стенками. В ТПР введены боковые компрессорные поршневые роторные колеса и центральное тяговое поршневое роторное колесо. Компрессорные поршневые роторные колеса выполнены с односторонними пустотелыми валами отбора мощности, обеспечивая собственные потребности двигателя через кинематические соединения с групповыми приводами механических передач в МС. Центральное тяговое поршневое роторное колесо выполнено с двухсторонним валом отбора мощности, который для преодоления внешней нагрузки ТД пропущен через МС. Валы роторных колес, установленные в подшипниках с размещенными между валами обгонными муфтами, собраны по принципу "вал в валу" с обеих сторон центрального тягового роторного колеса. Роторные колеса, образуя боковыми поверхностями лабиринтные уплотнения в центральном монтажно-теплообменном отсеке, выполнены с равномерно распределенными по окружности внутренними поршневыми лопастями. Поршневые лопасти, обеспечивая герметичное плотное скольжение по внутренней цилиндрической поверхности центрального монтажно-теплообменного отсека в зонах соединения с направляющими отверстиями магистралей расширения, превращают каждой поршневой лопастью в механическую работу большие давления рабочих тел в малых объемах расширения. Затем, превращая поршневыми лопастями в механическую работу малые давления рабочих тел в больших объемах расширения, в центральный монтажно-теплообменный отсек введены постепенно расширяющиеся каналы, плавно превращающие внутреннюю цилиндрическую поверхность в ребристо-цилиндрическую полость центрального монтажно-теплообменного отсека и выпускные отверстия магистралей расширения. В выпускные отверстия выведены эжекторные трубки для удаления пыли из воздушных фильтров МС и введены капиллярные теплообменники для утилизации тепловых потерь выхлопных газов и снижения их шумов. В монтажно-теплообменные отсеки магистралей сжатия и направляющие отверстия магистралей расширения введены ТМ, осуществляющие при внутреннем смесеобразовании термодинамические процессы внутреннего и внешнего подвода теплоты и расширения рабочих тел в бинарном рабочем цикле ТД. Для этого в ТМ введены ГРМ, секционный теплообменник и парогенератор, из которых в корпусной конусно-цилиндрической оболочке ТМ образована камера сгорания с комбинированным расширительным соплом. Установленными ТМ выделены и окончательно сформированы раздельные магистрали сжатия и расширения, образовавшиеся в результате взаимосвязанного соединения разнообразных жиклеров, осевых и радиальных каналов, выполненных в корпусной конусно-цилиндрической оболочке, конусообразной оболочке расширительного сопла, ребристо-канальном куполе испарителя, теплообменной оболочке камеры сгорания и ГРМ, которые последовательно установлены и соединены внутри корпусной конусно-цилиндрической оболочки ТМ. При этом парогенератор создан внутри корпусной конусно-цилиндрической оболочки, где конусообразной оболочкой расширительного сопла и ребристо-канальным куполом испарителя сформировано комбинированное расширительное сопло. Парогенератор выполнен как газотрубный котел, охватывающий расширяющуюся и сужающуюся внешнюю часть расширительного сопла, тогда как внутренняя часть расширительного сопла, начинающая магистраль расширения, соединена через сквозное отверстие ребристо-канального купола испарителя с камерой сгорания. Камера сгорания сформирована в ТМ ребристо-канальным куполом испарителя, секционным теплообменником и совмещена с ГРМ, завершающим ее формирование. Секционный теплообменник камеры сгорания создан теплообменной оболочкой камеры сгорания внутри корпусной конусно-цилиндрической оболочки и сформирован с теплообменными отсеками, которые через магистрали сжатия соединены с парогенератором (для воды), камерой сгорания (для окислителя) и ГРМ (для топлива). В ГРМ введены плавающий поршень, топливный преобразователь, регулировочный клапан и предохранительный клапан. Плавающий поршень, завершая формирование камеры сгорания и магистралей сжатия функциональных систем впуска воздуха, топлива и дополнительного окислителя, выполнен с отсеками, кольцевыми, осевыми и радиальными каналами, топливными и воздушными жиклерами для внутреннего смесеобразования в камере сгорания, помещен в секционный теплообменник, перекрывая его окислительные жиклеры, и прижат пружиной, зафиксированной гайкой в корпусной оболочке камеры сгорания. В отсеки плавающего поршня ввернуты свечи зажигания, установлены обратные клапаны автоматической подачи воздуха и введен топливный преобразователь, который выполнен с теплообменным отсеком, кольцевыми, осевыми и радиальными каналами и топливными жиклерами, перекрытыми плавающим поршнем. Топливный преобразователь совмещен с регулировочным клапаном, обеспечивающим поступление сжатого воздуха в корпусную конусно-цилиндрическую оболочку ТМ, и соединен с приводом управления работой двигателя. В теплообменные отсеки топливного преобразователя и корпусную конусно-цилиндрическую оболочку ТМ введены элементы электротермической обработки топлива и воздуха, установлен предохранительный клапан, сбрасывающий избыточное давления сжатого воздуха в ГРМ или магистраль расширения. Каждый ТМ вставлен в патрубок большого монтажно-теплообменного отсека, где его корпусная конусно-цилиндрическая оболочка цилиндрической частью введена в направляющее отверстие магистрали расширения, усеченно-коническими частями прижата к коническим стенкам монтажно-теплообменных отсеков и присоединена к фланцу патрубка крепежными элементами. Вне патрубка корпусная конусно-цилиндрическая оболочка ТМ размещена в большом монтажно-теплообменном отсеке, при этом усеченно коническими частями в нераздельной магистрали сжатия сформированы раздельные, герметично замкнутые монтажно-теплообменные отсеки магистралей сжатия. ТМ в МР разграничена нераздельная конфигурация больших и малых монтажно-теплообменных отсеков и магистральных каналов сжатия. В каждом большом монтажно-теплообменном отсеке, герметично закрытом крышкой, создан РИВ, куда введен ионизатор для продолжительной ионизации сжатого воздуха. Каждым ТМ выделены, сформированы и завершены индивидуальные магистрали сжатия и расширения функциональных систем двигателя. Функциональные системы, обеспечивающие рабочий цикл двигателя, объединены, продублированы и выполнены с последовательными и параллельными соединениями, упрощая в ТД одновременное и независимое от внешней нагрузки осуществление термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения. Приводом управления обеспечено подключение отдельных агрегатов ТД, например камер сгорания, а также расширены функциональные возможности ТД, обеспечивающие при различных режимах эксплуатации его устойчивую работу.
Многообразие вероятных конструкций ТДВСМ зависит от конструкторско-технологических возможностей его создания, определяется выбором материалов и соотношением геометрических размеров элементов конструкции двигателя в результате оптимизации расчетных значений его основных рабочих параметров и технико-экономических характеристик, выполненных на основе многофакторного анализа. Представленные чертежи показывают принципиальное решение устройства ТДВСМ. В описании ТДВСМ приводятся комментарии возможных аналогичных технических предложений по ТД, принципиально не меняющих полезности и новизны предлагаемого двигателя.
Сущность изобретения поясняется кратким описанием конструкции ТДВСМ и его работы, иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, ... фиг.8.
На фиг.1 показан общий вид модульной конструкции ТДВСМ.
На фиг.2 показана конструкция ТДВСМ в виде "прозрачного" изображения.
На фиг.3 показан модуль сжатия ТДВСМ в виде "прозрачного" изображения.
На фиг.4 показан модуль расширения ТДВСМ в виде "прозрачного" изображения.
На фиг.5 показан тепловой модуль, установленный в монтажно-теплообменные отсеки модуля расширения.
На фиг.6 показана конструкция теплового модуля.
На фиг.7 показаны варианты унификации ТДВСМ, которые позволяют частично или полностью использовать несколько двигателей и камер сгорания одновременно.
На фиг.8 показана принципиальная схема, поясняющая способ работы ТДВСМ.
В описании изобретения указаны позиционные обозначения (как сборочных единиц и деталей, так и отдельных их конструктивных элементов) по тексту и чертежам, представленным на фиг.1, ... фиг.8. Они указаны с единой сквозной нумерацией, раскрывающей и конкретизирующей содержание ТДВСМ, поэтому, случайно отсутствующее позиционное обозначение может быть восполнено или пояснено с другого чертежа и текста его описания.
На фиг.1 показывается ТДВСМ, как устройство с модульной иерархической структурой построения. Он конструктивно состоит из трех самостоятельных (по рабочему циклу двигателя) функциональных модулей: двух боковых вспомогательных модулей сжатия МС1, МС2 и одного центрального силового модуля расширения МР3. МС осуществляют термодинамические процессы сжатия (впуск и сжатие), в том числе и с разной производительностью МС1 и МС2. МР3 осуществляет термодинамические процессы подвода теплоты и расширения (рабочий ход и выпуск). МС1 и аналогичный ему МС2, имеющий зеркальное отражение (в составе самостоятельных функциональных модулей: группы РПК; насосов; стартеров, генераторов и т.п.), обеспечивают при энергетических затратах собственные потребности самого двигателя: предстартовую подготовку двигателя от стартера; многоступенчатое сжатие воздуха; подачу жидких рабочих тел; работу системы электрооборудования. Применение двух боковых модулей МС1 и МС2 в ТДВСМ не только уменьшает непроизводительные энергетические (главным образом тепловые) потери двигателя, но и повышает плавность, устойчивость и надежность его безотказной работы. Центральный силовой МР3 осуществляет в составе конструктивно объединенных подмодулей (РИВ; ТМ; ТПР) дальнейшие энергетические преобразования, которые завершаются выполнением механической работы с самоустанавливающимся энергетическим разделением на внутреннюю (самого двигателя) и внешнюю (дорожное сопротивление) нагрузки. ТДВСМ для преодоления разнообразных внешних нагрузок имеет двухсторонний центральный выходной вал отбора мощности 4 (вал внешней нагрузки).
На фиг.2 изображена более подробная конструкция ТДВСМ. Двигатель указан в полном составе МС1, МР3 и МС2, как бы в прозрачном изображении. Основными линиями указаны явно видимые изображения конструкции, а более тонкими линиями указаны невидимые и явно невыраженные, скрытые изображения конструкции, находящиеся на разных уровневых слоях и раскрывающие сопряжения МС1 и МС2 с МР3 и (или) их внутреннее содержание. Позиционные обозначения, изображенные на фиг.2 слева, относятся к элементам конструкции боковых МС1 и МС2, а справа, относятся к элементам конструкции центрального МР3. На основании 5 МС1 и зеркальном ему МС2 размещаются функциональные модули: РПК первой ступени сжатия (РПК-1) 6, РПК второй ступени сжатия (РПК-2) 7, роторные насосы окислителя (РНО) 8, роторные насосы воды (РНВ) 9, роторные насосы масла (РНМ) 10, роторные насосы топлива (РНТ) 11, стартеры 12 и генераторы 13. Их рабочие валы имеют кинематическое соединение с групповым приводом механической передачи через ведущее зубчатое колесо 14, имеющее шлицевое соединение с валом собственных потребностей двигателя 15 (вал внутренней нагрузки). МС1 и МС2 имеет фильтр очистки воздуха 16, соединенный с дренажными трубками 17. Фильтр 16 соединяется с (РПК-1) 6, а дренажные трубки 17 имеют связь с атмосферой в районе выхлопных отверстий. Каждый боковой МС1 и МС2 закрывается защитным кожухом 18 с отверстием 19 для забора воздуха и, образуя завершенный по рабочему циклу двигателя функциональный модуль, осуществляют процессы впуска и сжатия рабочих тел двигателя (трубопроводы рабочих тел к роторным насосам на чертеже не показаны). Однако модули, входящие в состав боковых МС1 и МС2, являясь так же вполне функционально завершенными сборочными единицами, вполне могут применяться и отдельно, например, не входить в их состав, а размещаться на силовом МР3. При этом внутренние коммуникации, выполненные в виде трубопроводов, не обеспечат необходимую утилитарность (выгоду и пользу), так как любая другая конструкция с иным соединением МС1 и МС2 с МР3 не способна должным образом утилизировать неизбежные тепловые потери двигателя с пользой для его работы. Следует также отметить, что трубопроводы, установленные на двигателе, подвергаются вибрационным воздействиям, снижая надежность работы двигателя. Силовой МР3 образуется в результате синтеза (составления или соединения) нескольких подмодулей, которые, в отличие от функциональных модулей МС1 и МС2, не способны самостоятельно работать друг без друга. Необходимость и закономерность такого гибридного соединения обоснована снижением энергетических потерь и сокращением числа применяемых деталей и сборочных единиц, а также повышением работоспособности и надежности ТДВСМ. Центральный МР3 состоит из корпусной оболочки 20. В ее центральной внутренней полости устанавливается ТПР 21. ТПР 21 имеет центральный вал 4 отбора мощности для преодоления внешней нагрузки. Корпусная оболочка 20 имеет патрубок 22, внутри которого выполнено направляющее отверстие 23, сопрягающее круг с прямоугольником и соединяющее в тангенциальном направлении ТПР 21 и камеру сгорания с комбинированным расширительным соплом 24, выполненные в ТМ 25. ТМ 25 устанавливается в направляющее отверстие 23 и крепится фланцем к патрубку 22. В ТМ 25 устанавливается ГРМ 26, завершающий формирование камеры сгорания (камера сгорания - см. фиг.6) и, таким образом, ТМ 25 частично оказывается помещенным в РИВ 27. Каждый РИВ 27 создается для конкретного ТМ 25 при сборке МР3 из периферийной части корпусной оболочки 20, герметично закрытой крышками 28. В объеме РИВ 27 оказываются ГРМ 26, установленные в ТМ 25, и патрубки 22 с их теплообменными ребрами жесткости, а также установленные там ионизирующие устройства 29, теплообменные капиллярные трубки 30 и обратные клапаны 31, завершающие при сборке МС1 и МС2 с МР3 создание воздушных односторонних каналов. Выпускные отверстия 32 для удаления выхлопных газов образуются при сборке корпусной оболочки 20 и плавно соединяют постепенно расширяющуюся часть центральной внутренней полости с атмосферой внешней среды.
МС1 и МС2, изображенные на фиг.3, состоят из основания 5, на стороне установки которого размещаются функциональные модули: РПК первой ступени сжатия (РПК-1) 6, РПК второй ступени сжатия (РПК-2) 7, роторные насосы окислителя (РНО) 8, воды (РНВ) 9, масла (РНМ) 10 и топлива (РНТ) 11, а также стартеров 12 и генераторов 13 (как было указано на фиг.2). Ведущее зубчатое колесо 14 (вала внутренней нагрузки 15 МР3) имеет кинематическое соединение: с валом 33 (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, валом 34 РНО 8, валом 35 РНВ 9, валом 36 РНМ 10, валом 37 РНТ 11, валом 38 стартеров 12, валом 39 генераторов 13, зубчатыми колесами 41 и 42. Оно образует групповой привод механической передачи. (РПК-1) 6 имеет два впускных отверстия 43 и два выпускных отверстия 44. Выпускные отверстия 44, пересекая основание 5, соединяются с открытыми воздушными каналами 45 и, проходя обратно через основание 5, соединяются с впускными отверстиями 46 (РПК-2) 7, а выпускные отверстия 47 (РПК-2) 7 через основание 5 и открытый воздушный канал 48 при дальнейшей сборке двигателя соединяются с воздушными обратными клапанами 31. Аналогичным образом в основании 5 каналы охлаждения 50 от РНВ 9 к (РПК-1) 6, каналы охлаждения 51 от (РПК-1) 6 к (РПК-2) 7, каналы охлаждения 52 от (РПК-2) 7 к (РПК-1) 6 и каналы охлаждения 53 от (РПК-1) 6 подсоединяются в дальнейшем к жидкостному обратному клапану 54. РНО 8 через канал окислителя 55 соединяется с жидкостным обратным клапаном 56. РНМ 10 через разветвленный масляный канал 57 соединяется с элементами для смазки группового привода механической передачи. РНТ 11 через топливный канал 58 соединяется с жидкостным обратным клапаном 59. При сборке МС1 и МС2 с МР3 перечисленные открытые каналы становятся закрытыми и герметичными. Они обеспечивают по своему функциональному назначению соответствующую подачу топливных компонентов (воздуха, воды, окислителя, масла и топлива) из МС1 и МС2 в МРЗ в одностороннем порядке (через обратные клапаны) и перепускные предохранительные клапаны роторных насосов. Воздушный фильтр 16 крепится своим корпусом к впускным отверстиям 43 (РПК-1) 6. Он также соединен с дренажной трубкой 17, через которую удаляется пыль при фильтрации воздуха. Система электрооборудования снабжена электрическими соединителями (на чертеже не показаны), которые обеспечивают соединение с потребителями электроэнергии. Все функциональные модули и элементы конструкции МС1 и МС2 собраны и установлены на основании 5. Они крепятся известными техническими решениями (на чертеже не указаны) и после монтажа МС1 и МС2 к МР3 закрываются защитным кожухом 18, обеспечивающим через заборное отверстие 19, охватывающее вал отбора мощности 4, поступление воздуха в воздушный фильтр 16.
МР3, изображенный на фиг.4, образован в результате синтеза (составления или соединения) конструкций функциональных подмодулей (самостоятельно не функциональных сборочных единиц). Необходимость и закономерность гибридного соединения нескольких подмодулей в единый модуль обоснована снижением энергетических потерь (в основном тепловых) и сокращением числа применяемых деталей и сборочных единиц. МР3 создается из корпусной оболочки 20, собираемой из двух симметричных корпусных боковых стенок 61 и 62. Стенки 61 и 62 имеют сложную геометрически развитую форму, образованную сопряжением плоских боковых поверхностей с внутренними и наружными, как гладкими, так и разноребристыми, цилиндрическими поверхностями, которые выполнены как соосно, так и с параллельным смещением геометрических осей цилиндров, образующих оболочку. Собранная корпусная оболочка 20 образует не только внутреннюю цилиндрическую полость (под установку ТПР 21), соединенную в патрубке 22 отверстиями 23, выполненными с поверхностью в виде "архитектурного тромпа" для установки ТМ 25 (с расширительным соплом 24, камерой сгорания ТМ 25 и ее ГРМ 26), но и наружную полузамкнутую поверхность (для установки ионизирующих устройств 29 и капиллярных теплообменников 30), которая при герметичном закрытии крышками 28 формирует РИВ 27, представляющий собой герметичный отсек (камеру) для накопления сжатого воздуха и его ионизации. ТПР 21 состоит из центрального многопоршневого роторного колеса 63 с центральным валом 4 внешней нагрузки, расположенным по обе стороны роторного колеса 63, и двух боковых, многопоршневых компрессорных роторных колес 64, каждое из которых имеет одностороннее расположение компрессорного вала 15 внутренней нагрузки и ведущие зубчатые колеса 14 группового привода механической передачи. Многопоршневые роторные колеса образованы из равномерно чередующихся по наружной окружности полузамкнутых поршневых лопастей 65 и 66, соответственно центрального роторного колеса 63 и компрессорных роторных колес 64, выполненных по периферии внутри боковых стенок каждого роторного колеса. ТПР 21 собирается по известному принципу "вал в валу". Между валами 4 и 15 установлены подшипники 67 скольжения и обгонные муфты 68. Сопряжения боковых стенок роторных колес 63 и 64 между собой и с боковыми корпусными стенками 61 и 62 образуют концентричные лабиринтные уплотнения 69, которые компенсируют торцевые зазоры между роторными колесами 63 и 64 и (или) стенками 61 и 62, препятствуя утечке рабочего тела (расширяющихся выхлопных газов). Собранный ТПР 21 устанавливается в герметичной внутренней цилиндрической полости оболочки 20, которая выполнена с чередующимися плавными переходами от гладкой внутренней цилиндрической поверхности 70 до внутренней ребристой разрастающейся поверхности 71, постепенно увеличивающейся и пересекающейся с выпускным отверстием 32 для удаления отработанных газов и отверстиями дренажной трубки 17 для отсоса (удаления) пыли из воздушного фильтра, а в районе гладкой цилиндрической поверхности 70 выполнен прилив в виде патрубка (штуцера) 22 со сквозным направляющим отверстием 23. Отверстие 23 переходит плавно от прямоугольного сечения в круглое (в виде архитектурного тромпа) и обеспечивает тангенциальное сопряжение поршневых лопастей 65 и 66 с комбинированным расширительным соплом 24 и камерой сгорания ТМ 25. ТМ 25 фланцем 73 крепится к патрубку 22. В патрубке 22, собранном из корпусных стенок 61 и 62, выполнены концентрично круглому отверстию 23 кольцевые каналы. Они образуют при установке ТМ 25 герметичные отсеки: отсек для охладителя 74 (воды), отсек для окислителя 75 (перекиси водорода) и отсек для жидкого топлива 76 (бензин, керосин, дизельное топливо, спирт и т.п.). В разноуровневые сквозные отверстия, пересекающие корпусные стенки 61 и 62 до кольцевых каналов, установлены соответственно обратные клапаны: клапан 54 (воды), клапан 56 (перекиси водорода) и клапан 59 (топлива). Установка обратных клапанов производится в МР3, что предпочтительней, чем в МС1 и МС2 (МС показаны частью кожуха 18 и основанием 5 с ведущим зубчатым колесом 14). Это позволяет при сборке использовать неизбежные тепловые потери двигателя с пользой для его работы при подготовке топливных компонентов к внутреннему смесеобразованию. Таким образом, при сборке МС1 и МС2 с МР3 завершается формирование: каналов охлаждения 53 в МС1 и МС2 (см. фиг.3) с обратным клапаном 54 в МР3; каналов окислителя 55 в МС1 и МС2 (см. фиг.3) с обратным клапаном 56 в МР3; топливных каналов 58 в МС1 и МС2 (см. фиг.3) с обратным клапаном 59 в МР3, так как для утилизации тепловых потерь такое формирование каналов наиболее рационально. Каналы топливных компонентов могут быть выполнены в МС1, МС2 и в МР3 симметрично и объединяться при сборке в единый канал. В корпусных стенках 61 и 62, в зонах образующих РИВ 27, также установлены воздушные обратные клапаны 31, соединяющие выпускные отверстия 47 (РПК-2) с РИВ 27 через завершенные при сборке МС1 и МС2 с МР3 воздушные каналы 48. Боковые стенки 61 и 62, образующие полузамкнутую внешнюю поверхность корпусной оболочки 20, имеют ребра жесткости 77 и 78 (они же и теплообменники), на которых крепятся устройства ионизации 29, электротехнические устройства (зажигания, регуляторы тока и т.п.), а при необходимости и другие устройства, например, контрольно-измерительные датчики. В ГРМ 26 поворотный регулировочный клапан 79 подачи сжатого воздуха, имеющий профилированное впускное окно 80, и топливный преобразователь 81 образуют механизм управления 82 двигателя (дозированной подачи топлива и воздуха). Провода электрического зажигания 83 и электротермического нагрева 84 в МР3 подсоединены от электрооборудования (на чертеже не показано). В МР3 имеются крепежные установочные отверстия 85, предназначенные для крепления двигателя на шасси транспортной силовой установки.
На фиг. 5 показан ТМ 25, установленный в монтажно-теплообменные отсеки МР3. В ТМ 25 сформирована камера сгорания с комбинированным расширительным соплом 24 и установлен в камере сгорания ГРМ 26, завершающий ее формирование. ТМ 25 устанавливается как в патрубок 22 с направляющим отверстием 23, так и в разнообразные монтажно-теплообменные отсеки корпусной оболочки 20 МР3, разграничивая магистрали сжатия и расширения. Корпусная оболочка 20 собирается из боковых стенок 61 и 62, которые, в результате сборки, образуют центральную внутреннюю полость под установку ТПР 21, а также разнообразную наружную поверхность, заключенную между боковыми стенками, включая и патрубок 22. В патрубке 22 при сборке корпусной оболочки 20 образуется сквозное направляющее отверстие 23, плавно переходящее из круга (от торца патрубка) в видоизмененный прямоугольник (у внутренней полости), а также (со стороны круглого отверстия) образуются разноглубинные концентрические каналы, выполненные с коническим срезом. Каналы пересекаются сквозными отверстиями в боковых стенках 61 и 62. В эти отверстия устанавливаются обратные клапаны 54, 56 и 59. На корпусной оболочке 86 ТМ 25 выполнены чередующиеся друг за другом конус 87, усеченный конус 88 и усеченный конус, переходящий в крепежный фланец 73, которые при сопряжении с соответствующими концентрическими отверстиями в патрубке 22 образуют герметичные индивидуальные отсеки. В патрубке 22 образуется: герметичный отсек 74 с обратными клапанами 54, которые завершают каналы 53 для охладителя, например, воды; отсек 75 с обратными клапанами 56, которые завершают каналы 55 для дополнительного окислителя, например, перекиси водорода; отсек 76 с обратными клапанами 59, которые завершают каналы 58 для жидкого моторного топлива. ТМ 25 крепится к патрубку 22 через фланец 73 (например, болтами). В центральной внутренней полости корпусной оболочки 20 установлен ТПР 21. Между центральным валом 4 внешней нагрузки (выходным валом отбора мощности) и валами 15 внутренней нагрузки (валы собственных потребностей двигателя) установлены обгонные муфты 68 и подшипники 67 скольжения (между валами 4 и 15, а также между валами 15 и боковыми стенками 61 и 62). Ведущие зубчатые колеса 14 через шлицевые соединения с валами 15 при сборке МС1 и МС2 с МР3 образуют групповой привод механической передачи. В ТПР 21 поршневые лопасти 65 центрального роторного колеса 63 и поршневые лопасти 66 боковых роторных колес 64 скользят по гладкой цилиндрической поверхности 70, в том числе и в районе отверстия 23. Далее в гладкой цилиндрической поверхности 70 выполнены постепенно углубляющиеся каналы 71, которые превращают гладкую цилиндрическую поверхность в ребристо-цилиндрическую поверхность с постепенно увеличивающимся зазором, переходящую в выпускное (выхлопное) отверстие 32 (отверстие 32 на фиг.5 не показано). При сборке корпусной оболочки 20 из корпусных стенок 61 и 62 образуется разнообразная наружная поверхность, заключенная между боковыми стенками 61 и 62. Герметично закрытая крышками 28 корпусная оболочка 20 образует РИВ 27, сообщающийся в замкнутом воздушном пространстве через ГРМ 26 с камерой сгорания ТМ 25, а также ионизатор 29 и не указанные на чертеже (фиг.5) теплообменные капиллярные трубки 30 и другие исполнительные и контрольно-измерительные устройства, обеспечивающие принудительное зажигание (через провода 83) и электротермический нагрев (через провода 84) топливных компонентов. В оболочке 86 ТМ 25 выполнено воздухозаборное окно 89, обеспечивающее поступление сжатого воздуха из РИВ 27 в ГРМ 26 через профилированное окно 80 регулировочного клапана 79. Регулирование подачи сжатого воздуха и топлива осуществляется механизмом управления 82, частично и герметично выведенным за пределы РИВ 27 и корпусной оболочки 20. Механизм управления 82 состоит из регулировочного клапана подачи сжатого воздуха 79 и топливного преобразователя 81 и установлен в корпусной оболочке 86 ТМ 25.
На фиг.6 показана конструкция ТМ 25, в котором сформирована камера сгорания с комбинированным расширительным соплом 24 и установленным в камере сгорания ГРМ 26, завершающим ее формирование. ТМ 25 представляет гибридный объединенный функциональный модуль, состоящий из подмодулей, которые могут самостоятельно работать только при объединении в корпусной конусно-цилиндрической оболочке 86, являющейся конструктивным связующим элементом конструкции ТМ 25. В оболочке 86 размещается жаропрочный купол испарителя 90, выполненный с двухсторонней ребристо-меридиональной поверхностью и сквозным центральным конусным отверстием, в которое устанавливается усеченной частью жаропрочная конусная оболочка 91 расширительного сопла, а ее основание, прилегая к перфорированному поясу внутренней конической поверхности оболочки 86, создает комбинированное расширительное сопло 24. За куполом 90 в оболочку 86 запрессовывается жаропрочная теплообменная оболочка 92 камеры сгорания, выполненная с ребристыми наружными кольцевыми проточками, образующими герметичные отсеки 93 (для воды), 94 (для перекиси водорода) и 95 (для топлива). Отсек 93 системы охлаждения через жиклеры 96 и межреберные каналы 97, выполненные в оболочке 86, соединяется с обратными клапанами 54 в отсеке 74. Отсек 74 образуется в круглом канале патрубка 22 оболочкой 86 и ее конусом 87. Через жиклеры 98 и межреберные каналы 99 сферического купола 90 отсек 93 соединяется с замкнутой перфорированной полостью, образуя парогенератор 100 в комбинированном расширительном сопле 24, выполненный в виде газотрубного котла, а затем в направляющем отверстии 23 и далее через ТПР 21 до выхлопного отверстия 32 (отверстие 32 на фиг.6 не показано), завершая открытую систему охлаждения двигателя, продолженную в его магистрали расширения. Отсек 94 через периферийно расположенные в оболочке 86 жиклеры 101 соединяется с обратными клапанами 56 в отсеке 75, который образуется в канале патрубка 22 оболочкой 86 и ее конусами 87 и 88. Через жиклеры (трубки) 102, проходящие изолированно через отсек 93, отсек 94 сообщается с внутренними межреберными каналами купола испарителя 90 (по его внутренней поверхности), а через жиклеры (трубки) 103, проходящие изолированно через отсек 95, сообщается с конической поверхностью плавающего поршня 104 ГРМ 26 и завершает систему подачи дополнительного окислителя в камеру сгорания ТМ 25. Плавающий поршень 104 является основным связующим элементом конструкции ГРМ 26 и представляет собой основной элемент обратного клапана, который автоматически обеспечивает одностороннюю подачу нескольких топливных компонентов в камеру сгорания ТМ 25 под действием оказываемых на него давлений, как со стороны магистрали расширения (стороны камеры сгорания), так и со стороны магистрали сжатия (стороны РИВ 27). С поршневыми кольцами 105 он герметично устанавливается в жаропрочной теплообменной оболочке 92 и, завершая формирование камеры сгорания с расширительным соплом 24, через тарельчатые или диафрагменные пружины 106, компенсирующие его подвижность, фиксируется в корпусной оболочке 86 гайкой 107. В центральном глухом отверстии 108 плавающего поршня 104 установлен топливный преобразователь 81, а в глухих периферийных отверстиях 109 установлены воздушные обратные клапаны 110 с регулировочной гайкой 111. Глухие отверстия 108 и 109 соединены с камерой сгорания ТМ 25 топливными жиклерами (калиброванными отверстиями) 112 и воздушными жиклерами 113, и их направление в камере сгорания ТМ 25 обеспечивает оптимальное смесеобразование топливных компонентов. Свечи зажигания 114 ввернуты в глухие отверстия, которые расположены по окружности между глухим топливным 108 и глухими воздушными 109 отверстиями. Своими электродами они располагаются в камере сгорания ТМ 25 в зоне оптимального смесеобразования. Высокое напряжение на свечи 114 зажигания подается по проводам 83 (устройство зажигания на чертеже не показано). Механизм управления 82 двигателя (подачи топлива и воздуха) герметично выведен через крышку 28 из МР3. Он состоит из топливного преобразователя 81 и регулировочного клапана подачи сжатого воздуха 79, который устанавливается в конце оболочки 86 и имеет профилированное воздушное впускное окно 80. Кинематическая связь механизма управления 82 преобразует вращательное движение клапана 79 в поступательное движение топливного преобразователя 81 (например, винтовая пара). Топливный преобразователь 81 после регулировки жестко соединяется с воздушным регулировочным клапаном 79 в конце оболочки 86. Регулировка топливного преобразователя 81 и воздушного регулировочного клапана 79 сводится к синхронному перекрытию доступа воздуха и топлива в камеру сгорания ТМ 25 при сборке и установке ГРМ 26. Воздушное окно 89 в оболочке 86 закрыто корпусом клапана 79, а его профилированное впускное окно 80 закрыто корпусной оболочкой 86, а топливные жиклеры 112 перекрыты топливным преобразователем 81, при этом может допускаться незначительное опережающее поступление воздуха из РИВ 27 в камеру сгорания ТМ 25. Поршневые кольца 115 обеспечивают необходимую герметичность топливного преобразователя 81 в центральном отверстии 108 плавающего поршня 104. На топливном преобразователе 81, выполненном в виде пустотелого цилиндрического стержня с конусной вершиной, имеется кольцевая проточка 116, которая соединяется через радиальные отверстия 117 с центральным отверстием 118, а на конусе с жиклером 119. В отверстии 118 изолированно установлен электрический нагревательный элемент 120, один его вывод соединен с массой, а другой вывод электрически изолирован и соединен с регулируемым источником питания проводами 84 (источник питания на чертеже не показан). В топливной системе двигателя отсек 95 в секционном теплообменнике 92 через периферийно расположенные отверстия 121 в оболочке 86 соединяется с обратным клапаном 59 в отсеке 76. Отсек 76 образуется в круглом канале патрубка 22 оболочкой 86 с ее усеченным конусом 88 и фланцем 73. Через выполненные в секционном теплообменнике 92 наружные осевые каналы 122 и радиальные отверстия 123 соединяется с кольцевой проточкой 124 плавающего поршня 104, а затем через поршневые радиальные отверстия 125 соединяется с кольцевой проточкой 116 топливного преобразователя 81 и завершает топливную систему двигателя. В корпусной оболочке 86 за плавающим поршнем 104 ГРМ 26 около обратных клапанов 110 установлены воздушные термоэлектрические нагреватели 126, соединенные параллельно с топливным нагревательным элементом 120 проводом 84 от системы электропитания, а также установлен воздушный предохранительный клапан 127 для защиты РИВ 27 от избыточного давления сжатого воздуха.
На фиг.7 показаны энергосберегающие варианты унификации ТДВСМ, допускающие как частичное, так и полное отключение отдельных агрегатов двигателя и (или) двигателей. Для большей наглядности изложение представлено через модульное построение конструкции двигателя в составе функциональных модулей, поэтому при рассмотрении различных унифицированных энергосберегающих вариантов ТДВСМ, решаемых 5 задачей изобретения, приводятся ссылки на позиционные обозначения ранее изложенного на фиг.1, ... фиг.6 описания конструкции. Двигатель может быть создан при последовательном (показано) или параллельном (соединение через групповой привод механической передачи не показано) объединении группы ТДВСМ, при этом выходные валы отбора мощности 4 через соединительные муфты 130 прочно и постоянно соединены. В других вариантах могут применяться муфты приводов машин и механизмов, которые передают вращательное движение и вращательный момент с одного вала на другой (муфта 131) и с вала на свободно сидящее на нем зубчатое колесо (муфта 132), что может быть реализовано в одном и (или) группе ТДВСМ с соответствующим приводом управления работой двигателя. Передача крутящего момента может осуществляться с механической связью между деталями, за счет сил трения или магнитного притяжения, сил инерции или индукционного взаимодействия электромагнитных полей. По характеру работы в ТДВСМ могут применяться различные муфты приводов: постоянные соединительные (муфта 130); управляемые (муфта 131); самоуправляемые (муфта 132) или автоматически включаемые и выключаемые в зависимости от режима работы; муфты скольжения. Совместная работа двух и более ТДВСМ обеспечивается управляемой муфтой 131 через ее привод 133. Также ТДВСМ могут использоваться совместно с разными гидродинамическими передачами (муфты скольжения: гидромуфты или гидротрансформаторы) для осуществления автоматического бесступенчатого регулирования передачи крутящего момента или частоты вращения вала отбора мощности 4 (вала внешней нагрузки) с менее напряженным температурным воздействием на тяговые многопоршневые роторные колеса 63 ТПР 21. Крутящий момент ТДВСМ может передаваться трансмиссии транспортного средства через маховик 134. В ТДВСМ при отключении соответствующего группового привода механической передачи через муфту 132 можно обеспечить совместную работу МР3, МС1 и (или) МС2. Для этого управляемая муфта 132 устанавливается между валом собственных потребностей двигателя 15 (валом внутренней нагрузки) и его ведущим зубчатым колесом 14 (на чертеже не показаны), что позволяет осуществлять полное отключение МС1 или МС2 (наиболее рационально, когда МС1 и МС2 отличаются разной производительностью). При этом в МР3 каждые ТМ 25 соединены с МС1 и (или) МС2, то есть продублированы магистралями сжатия как от МС1, так и от МС2, что не только повышает надежность и работоспособность ТДВСМ, но и позволяет экономно и обоснованно использовать мощность ТДВСМ, комбинируя включение или отключение ГРМ 26 отдельных ТМ 25 в сочетании с МС1 и (или) МС2. Так в принципе частично реализуется решение поставленной 5 задачи изобретения.
На фиг.8 показана принципиальная схема ТДВСМ, изображающая совокупность элементов и цепей связи, выполняющих в двигателе основные или вспомогательные функции, а также разъясняющая основные идеи, принципы и последовательность процессов, происходящих при его работе. При описании позиционные обозначения элементов схемы принципиальной дополнены позиционными обозначениями элементов конструкции (отсутствуют на фиг.8, но ранее показаны на фиг.1, ... фиг.6), что (по соображениям наглядности оформления) сделано для лучшего смыслового восприятия устройства ТДВСМ. Также схема ТДВСМ для наглядности оформления предложена с одной камерой сгорания, тогда как конструкция предлагаемого ТДВСМ представлена на фиг.2 и фиг.4 с двумя камерами сгорания. Это не противоречит основной идее, принципам и последовательности процессов, происходящих в двигателе, который может быть выполнен, как с большим числом камер сгорания, так и с другим сочетанием применяемых в двигателе функциональных модулей. В частном случае принципиальная схема (на фиг.8) согласована с модульным описанием конструкции ТДВСМ (см. фиг.1,..., фиг.6) и условно разделена на центральные и боковые фрагменты согласно термодинамическим процессам рабочего цикла двигателя. Боковые фрагменты схемы представлены МС1 и МС2 и поясняют последовательность осуществления термодинамических процессов сжатия (впуск и сжатие) нескольких рабочих тел. Центральный фрагмент схемы представлен МР3 с ТМ 25 и разъясняет последовательность термодинамических процессов подвода теплоты и расширения рабочих тел в ТДВСМ. В конструкции ТДВСМ независимо от общего или частного случая реализации принципиальной схемы функциональные системы двигателя построены из совокупности ряда элементов, включая МС1, МС2 и МР3 с ТМ 25, объединены по схеме в цепи связи, которые представляют собой тракты магистралей сжатия и расширения. На схеме индивидуальные цепи связи совокупностью элементов конструкции показывают принцип осуществления термодинамических процессов (сжатия, внутреннего и внешнего подвода теплоты и расширения рабочих тел) в бинарном цикле работы ТДВСМ. Индивидуальные цепи связи и (или) совокупность индивидуальных цепей связи по схеме образуют взаимосвязанные между собой функциональные системы двигателя: систему пуска, систему впуска, систему питания, систему расширения и выпуска, систему автоматического регулирования. Подобные функциональные системы применяются в любых ТД, однако, в предлагаемой конструкции ТДВСМ, в том числе и модульной конструкции, они существенно видоизменены, конструктивно локализованы и работают в составе двигателя, дополняя друг друга и взаимодействуя между собой.
Система пуска ТДВСМ предназначена для запуска двигателя и воплощает известные способы запуска ТД: от руки, стартером, сжатым воздухом, накатом движителя под уклон или на буксире. Система пуска от стартеров 12 и (или) валов 4 внешней и 15 внутренней нагрузки с обгонными муфтами 68, через зубчатые колеса 14 группового привода механической передачи обеспечивает работу всех функциональных модулей, реализующих в МС1 и МС2 термодинамические процессы сжатия. Система пуска совершенствует и упрощает запуск ТДВСМ подмодулями ТПР 21, ТМ 25, ГРМ 26 и РИВ 27, реализуя в МР3 термодинамические процессы подвода теплоты и расширения в механическую работу, распределяемую в первую очередь на собственные потребности ТДВСМ, а затем на преодоление дорожного сопротивления. Реализация рабочего цикла ТДВСМ с одновременной последовательностью осуществления термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения возможна благодаря ТПР 21 и позволяет осуществить запуск ТД через групповой привод механической передачи без подготовки или с предварительной подготовкой компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию. Запуск ТДВСМ без подготовки (неустойчивый запуск, характерный для ДВС и ГТД) обеспечивает внутреннее смесеобразование ГРМ 26 в камере сгорания ТМ 25 при включенном механизме 82 управления. ТДВСМ постепенно прогревается, создавая запасы и предварительно подготавливая компоненты топливной смеси к внутреннему смесеобразованию, переходит с ручного режима работы на автоматический или полуавтоматический режим работы. Запуск ТДВСМ с предварительной подготовкой компонентов топливной смеси осуществляется при отключенном механизме 82 управления ГРМ 26. Причем в ТМ 25 предварительно запасают и подготавливают компоненты топливной смеси к внутреннему смесеобразованию ГРМ 26. Затем включают механизм 82 управления и ГРМ 26 осуществляют внутреннее смесеобразование в камере сгорания ТМ 25, обеспечивая в любых условиях всегда надежный запуск и устойчивую работу ТДВСМ практически без прогрева двигателя.
Многоканальная система впуска ТДВСМ обеспечивает из баков раздельную подачу и создает МС1 и (или) МС2 в теплообменных отсеках МР3 индивидуальные запасы всех компонентов топливной смеси. Многоканальная система впуска работает через групповой привод механической передачи, обеспечивая в ходе осуществления термодинамического процесса сжатия предварительную подготовку всех компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию в ТМ 25. Система впуска ТДВСМ совокупностью индивидуальных цепей связи схемы принципиальной образует: систему впуска воздуха (связи воздушного тракта); незамкнутую (открытую) систему охлаждения (связи тракта охлаждения); систему основного и дополнительного окисления (связи тракта подачи окислителя); систему смазки (связи тракта подачи масла); систему топливоподачи (связи тракта подачи моторного топлива). В магистралях сжатия системы впуска не указаны баки топливных компонентов, их подводящие трубопроводы и фильтры грубой и (или) тонкой очистки, так как они не имеют принципиальной новизны и их реализация по схеме принципиальной не вызывает технических сложностей, но затрудняет восприятие и наглядность графического изображения изобретения.
Цепи связи воздушного тракта, показывая на схеме совокупность индивидуальных магистралей сжатия воздуха, образуют систему впуска воздуха, которая сжимает и подготавливает воздух к внутреннему смесеобразованию в ТМ 25. Для подачи воздуха в МС1 и МС2 последовательно соединены: фильтр 16 очистки воздуха, (РПК-1) 6, воздушный канал 45, (РПК-2) 7, воздушный канал 48, обратный клапан 31. Затем в МР3 РИВ 27 и воздухозаборное окно 89 корпусной оболочки 86 ТМ 25 соединяется через профилированное окно 80 регулировочного клапана 79 с ГРМ 26, где установлены обратные клапаны 110 и термоэлектрический нагреватель 126. Валы 33 РПК, имея кинематическое соединение через зубчатое колесо 14 с групповым приводом механической передачи, обеспечивают работу (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, которые ступенчато сжимают воздух и под давлением подают его по магистралям сжатия воздуха. Сжатый воздух запасают в РИВ 27, утилизируя тепловые потери двигателя, при этом в РИВ 27 сжатый воздух постепенно подготавливают ионизирующим устройством 29 и теплообменниками 30, 77, 78 к внутреннему смесеобразованию, а в ГРМ 26 термоэлектрическим нагревателем 126 завершают подготовку сжатого озонированного воздуха к внутреннему смесеобразованию.
Цепи связи тракта охлаждения, показывая на схеме совокупность индивидуальных магистралей сжатия (подачи) воды, образуют незамкнутую (открытую) систему охлаждения, в которой охлаждающая вода преобразуется в пар, используемый для получения механической работы в бинарном рабочем цикле ТДВСМ. Для подачи воды в МС1 и МС2 последовательно соединены: РНВ 9, канал охлаждения 50, первый контур охлаждения (РПК-1) 6, канал охлаждения 51, первый и второй контур охлаждения (РПК-2) 7, канал охлаждения 52, второй контур охлаждения (РПК-1) 6, канал охлаждения 53 и обратный клапан 54. Затем в МР3 отсек 74 через межреберные каналы 97 и жиклеры 96 корпусной оболочки 86 ТМ 25 соединяется с отсеком 93 жаропрочной теплообменной оболочки 92 камеры сгорания ТМ 25. Далее через жиклеры 98 теплообменной оболочки 92 и межреберные каналы 99 сферического купола 90 соединяется с перфорированной полостью парогенератора 100 комбинированного расширительного сопла 24, установленного в направляющее отверстие 23 магистрали расширения, которая заканчивается выпускным отверстием 32. Валы 35 РНВ 9, имея кинематическое соединение через зубчатые колеса 41, 42 и 14 с групповым приводом механической передачи, обеспечивают работу РНВ 9, которые под давлением подают воду по магистралям сжатия открытой системы охлаждения. Подаваемая вода в РПК охлаждает сжимаемый воздух, увеличивая его массовый заряд в РИВ 27, затем постепенно нагревается, утилизируя тепловые потери двигателя и ТМ 25, а в парогенераторе 100 комбинированного расширительного сопла 24 превращается в перегретый пар. В направляющем отверстии 23 магистрали расширения пар перемешивается с газами, расширяющимися из камеры сгорания и комбинированного расширительного сопла 24, и парогазовым потоком, направленным в ТПР 21, превращается в механическую работу. Отработанный парогазовый поток удаляется в атмосферу окружающей среды через выпускное отверстие 32. Таким образом, вода, охлаждающая двигатель, переходит в пар, используется в качестве бинарного рабочего тела, превращаясь в механическую работу.
Цепи связи траста подачи окислителя, показывая на схеме индивидуальные магистрали сжатия (подачи) окислителя, образуют систему основного и дополнительного окисления. Для подачи окислителя в МС1 и МС2 последовательно соединены: РНО 8, канал окислителя 55, обратный клапан 56. Затем в МР3 отсек 75 через жиклеры 101 корпусной оболочки 86 ТМ 25 соединяется с отсеком 94 жаропрочной теплообменной оболочки 92 камеры сгорания. В основной системе окисления жиклеры 102 теплообменной оболочки 92 постоянно соединены с камерой сгорания ТМ 25, выходя на внутреннюю поверхность межреберных каналов сферического купола 90. В дополнительной системе окисления жиклеры 103 перекрыты плавающим поршнем 104, но соединяются с камерой сгорания ТМ 25 при перемещениях плавающего поршня 104. Валы 34 РНО 8, имея кинематическое соединение через зубчатые колеса 41, 42 и 14 с групповым приводом механической передачи, обеспечивают работу РНО 8, которые под давлением подают окислитель (перекись водорода) по магистралям сжатия системы окисления. Подаваемый окислитель постепенно нагревается, утилизируя тепловые потери двигателя и ТМ 25, а в камере сгорания пересекает фронт распространения пламени, способствуя полному сгоранию топливной смеси (система окисления дополняет систему впуска воздуха).
Цепи связи тракта подачи масла, показывая на схеме индивидуальные магистрали сжатия (подачи) масла, образуют закрытую (замкнутую) систему смазки двигателя, которая обеспечивает смазку трущихся деталей моторным маслом. В системе смазки в МС1 и МС2 разветвленные масляные каналы 57 соединяют РНМ 10 с (РПК-1) 6, (РПК-2) 7, каждым групповым приводом механической передачи и подшипниками 67. Валы 36 РНМ 10, имея кинематическое соединение через зубчатые колеса 41, 42 и 14 с групповым приводом механической передачи, обеспечивают работу РНМ 10, которые под давлением подают моторное масло по магистралям сжатия системы смазки. Масляная система ТДВСМ локализована и работает в менее напряженных тепловых режимах по сравнению с аналогичными системами других ДВС.
Цепи связи топливного тракта, показывая на схеме индивидуальные магистрали сжатия (подачи) моторного топлива, образуют систему топливоподачи, которая подает и подготавливает любое моторное топливо к внутреннему смесеобразованию в ТМ 25. Для подачи топлива в МС1 и МС2 последовательно соединены: РНТ 11, топливный канал 58 и обратный клапан 59. Далее в МР3 отсек 76 через периферийно расположенные отверстия 121 корпусной оболочки 86 ТМ 25 соединяется с отсеком 95 жаропрочной теплообменной оболочки 92 камеры сгорания. Затем наружные осевые каналы 122 и радиальные отверстия 123 жаропрочной теплообменной оболочки 92 через кольцевую проточку 124 и радиальные отверстия 125 плавающего поршня 104 соединяются с топливным преобразователем 81. В топливном преобразователе 81 кольцевая проточка 116 соединена через радиальные отверстия 117 с центральным отверстием 118, в котором помещен электрический нагревательный элемент. Отверстие 118 через жиклеры 119 соединено с центральным глухим (закрытым) отверстием 108 плавающего поршня 104 и через топливные жиклеры 112 плавающего поршня 104 имеет связь с камерой сгорания ТМ 25 (только при работе механизма управления 82). Валы 37 РНТ 11, имея кинематическое соединение через зубчатые колеса 41, 42 и 14 с групповым приводом механической передачи, обеспечивают работу РНТ 11, которые под давлением подают моторное топливо по индивидуальным магистралям топливоподачи.
Цепи связи совокупностью всех трактов компонентов топливной смеси многоканальной системы впуска, показанных на схеме, образуют в ТМ 25 индивидуальную систему питания. В ТДВСМ система питания локализована вокруг камеры сгорания ТМ 25, взаимосвязана жаропрочной теплообменной оболочкой 92 камеры сгорания и ГРМ 26 со всеми системами впуска компонентов топливной смеси через магистрали сжатия воздуха, топлива, окислителя и охладителя. Система питания в ТМ 25 завершает подготовку компонентов топливной смеси, обеспечивает ГРМ 26 самоустанавливающееся внутреннее смесеобразование, формируя механизмом 82 управления топливный заряд, необходимый для выполнения механической работы. Система питания реализована в ТМ 25 (см. описание фиг.6), состоит из ГРМ 26 и его механизма 82 управления, теплообменной оболочки 92 и жаропрочного купола 90, формирующих камеру сгорания с теплообменными отсеками 93, 94 и 95 для предварительной подготовки топливной смеси к внутреннему смесеобразованию. Тепловыделение (внутренний подвод теплоты), подготовленное системой питания в камере сгорания с комбинированным расширительным соплом 24, теплообменными процессами обеспечивает внешний подвод теплоты в парогенераторе 100, превращая в отсеке 93 и далее по магистрали охлаждения нагретую воду в перегретый пар. В магистрали окисления через отсек 94 и далее обеспечивается подготовка перекиси водорода для основного и (или) дополнительного внутреннего смесеобразования в камере сгорания. Система питания подает перекись водорода, которая пересекает фронт пламени в камере сгорания ТМ 25 соответственно у жаропрочного купола 90 испарителя и плавающего поршня 104. Подачей топлива по топливной магистрали через отсек 95 и далее обеспечивается подготовка топлива, завершаемая электрическим нагревательным элементом 120 в центральном отверстии 118 и топливном жиклере 119 топливного преобразователя 81, который герметично установлен в центральном отверстии 108 плавающего поршня 104. ГРМ 26 состоит из регулировочного клапана 79 подачи сжатого воздуха и топливного преобразователя 81, объединенных винтовой парой с механизмом 82 управления работой двигателя, а также связующего плавающего поршня 104, выполненного с воздушными 113 и топливными жиклерами 112, геометрические оси которых пересекают электроды свечей 114 зажигания. Жиклеры 112 и 113 плавающего поршня 104, обеспечивая вихревую топку в камере сгорания, соединяют центральное 108 (топливное) и периферийные 109 (воздушные) отверстия с камерой сгорания, оберегая, соответственно, топливный преобразователь 81 и обратные клапаны 110 от высоких температур камеры сгорания. В регулировочном клапане 79 (у обратных клапанов 110 плавающего поршня 104) установлен термоэлектрический нагреватель 126 воздуха, соединенный проводом 84 с системой электропитания двигателя, а провода зажигания 83 подсоединены к свечам 114 зажигания. При запуске и работе ТДВСМ механизмом 82 управления частично или полностью совмещают в ТМ 25 впускное окно 89 корпусной оболочки 86 с профилированным впускным окном 80 регулировочного клапана 79, обеспечивая из РИВ 27 дозированную подачу сжатого воздуха через обратные клапаны 110 и воздушные жиклеры 113. При этом топливный преобразователь 81 смещается в центральном отверстии 108 плавающего поршня 104, обеспечивая дозированную подачу газообразного топлива через открытое центральное отверстие 108 и топливные жиклеры 112. Так система питания по магистралям сжатия воздуха и топлива автоматически обеспечивает гомогенное внутреннее смесеобразование в камере сгорания. В дальнейшем плавающий поршень 104, осуществляя внутреннее смесеобразование, обеспечивает дозированную подачу воздуха, топлива и перекиси водорода в камеру сгорания ТМ 25. В зависимости от внешней нагрузки и положения механизма 82 управления в камере сгорания ТМ 25 обеспечивается самонастраивающееся тепловыделение: по циклу Отто при постоянном объеме (пульсирующее), по циклу Дизеля при постоянном давлении (непрерывное) или по циклу Тринклера (совмещенное), поддерживая автоматический, полуавтоматический или ручной режим работы ТДВСМ.
Цепи связи тракта расширения, показывая на схеме индивидуальную магистраль расширения, образуют систему расширения и выпуска. Конструкция системы расширения и выпуска рабочих тел формируется в корпусной оболочке 20 (см. также описание МР3 по фиг.4) двумя боковыми стенками 61 и 62, которые выполнены с разнообразной развитой геометрической поверхностью и образуют закрытые магистральные каналы и отсеки. ТМ 25, установленный в направляющее отверстие 23 патрубка 22 корпусной оболочки 20, разделяет закрытые магистральные каналы на индивидуальные магистрали сжатия и расширения. Индивидуальные магистрали расширения начинаются в ТМ 25 с камеры сгорания и комбинированного расширительного сопла 24, совмещенного с парогенератором 100, продолжаются в постепенно расширяющемся направляющем отверстии 23, которое тангенциально соединено с внутренней цилиндрической полостью центрального монтажно-теплообменного отсека корпусной оболочки 20. В центральном монтажно-теплообменном отсеке установлен ТПР 21, который поршневыми лопастями 65 и 66 роторных колес 63 и 64 пересекает магистраль расширения. Поршневые лопасти 65 и 66, плотно и герметично скользя по внутренней гладкой цилиндрической поверхности 70 в магистрали расширения монтажно-теплообменного отсека в зоне тангенциального сопряжения с направляющим отверстием 23 магистрали расширения, под воздействием парогазового потока реализуют большое давление рабочих тел в малых герметичных объемах индивидуальной магистрали расширения. После этого гладкая внутренняя цилиндрическая поверхность монтажно-теплообменного отсека в магистрали расширения постепенно углубляется и расширяется внутренними каналами, плавно переходит в ребристо-цилиндрическую поверхность 71 и завершается выпускным отверстием 32, выходящим в атмосферу окружающей среды. На этом этапе поршневые лопасти 65 и 66 продолжают скольжение по цилиндрической поверхности, тогда как расширяющийся парогазовый поток истекает по углубляющимся каналам ребристо-цилиндрической поверхности 71 в атмосферу окружающей среды, реализуя малое давление рабочих тел в больших негерметичных объемах индивидуальной магистрали расширения. Конструкция индивидуальной магистрали расширения позволяет совместить внутренний и внешний подвод теплоты в ТМ 25, газовый и паротурбинный термодинамический цикл расширения и локализованно и целенаправленно реализовать термодинамический процесс расширения бинарных рабочих тел в механическую работу. В выпускные отверстия 32 магистрали расширения установлены теплообменники 30, утилизирующие тепловые потери выхлопных газов в РИВ 27 для повышения термического к.п.д. и снижения уровня шумов ТДВСМ, а также дренажные трубки 17, предназначенные для эжекторного удаления (отсоса) пыли из фильтра очистки воздуха 16.
Система автоматического регулирования ТДВСМ осуществляет положительное самовыравнивание двигателя и обеспечивает устойчивую работу во всем диапазоне внешних скоростных характеристик двигателя, самоприспосабливающегося к изменению внешней нагрузки с самоустанавливающимся перераспределением установленного уровня внутреннего смесеобразования при самонастраивающемся цикле подвода теплоты в ТМ 25. Работа системы автоматического регулирования обеспечивается конструкцией ТДВСМ через ТПР 21 и групповой привод механической передачи. Через валы 15 внутренней нагрузки и вал 4 внешней нагрузки ТПР 21 разделяет силовые энергетические потоки на собственные потребности ТДВСМ и дорожное сопротивление. При этом через групповой привод механической передачи ТДВСМ в автоматическом режиме корректирует работу (производительность) компрессоров и насосов в МС1 и МС2, увеличивая внутреннее смесеобразование в ТМ 25, восстанавливает нарушенный тепловой и механический баланс ТД. Таким образом, не имея специальной конструкции системы автоматического регулирования (например, вакуумный или центробежный регулятор), ТДВСМ способен устойчиво работать при различных режимах работы, одновременно реализуя последовательность осуществления термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения. Для этого при работе в режиме «холостого хода» достаточно механизмом 82 управления сформировать топливный заряд, обеспечивающий только собственные потребности ТДВСМ. При любом определенно включенном положении механизма 82 управления в камере сгорания формируется топливный заряд на общую суммарную мощность внутренней и внешней нагрузки ТДВСМ, которая преодолевается при синхронном вращении тягового 63 и компрессорных 64 роторных колес. Нарушение теплового и механического баланса обнаруживается ТПР 21, который перераспределяет силовые энергетические потоки при асинхронном вращении тягового 63 и компрессорных 64 роторных колес. Максимальное увеличение вращения компрессорных 64 роторных колес через групповой привод механической передачи увеличивает формирование топливного заряда в камере сгорания. При этом тяговое 63 роторное колесо может полностью остановиться, однако ТДВСМ не заглохнет, работая «сам на себя» в режиме «измененного холостого хода» при неспособности преодолеть препятствие внешней нагрузки. В этом случае следует в ручном или полуавтоматическом режиме работы механизмом 82 управления увеличить формирование топливного заряда, повысив мощность ТДВСМ для преодоления внешней нагрузки. Следует отметить, что полуавтоматический режим работы сочетает автоматический режим работы ТДВСМ и ручную корректировку механизмом 82 управления, а ручной режим работы предусматривает подключение или отключение отдельных силовых устройств ТДВСМ.
Работа ТДВСМ, так же как и работа любого ТД, реализуется этапом запуска двигателя, переходящим в его работу с переходными неустановившимися и установившимися процессами рабочего цикла двигателя, и завершается после выполнения работы его полной остановкой.
Запуск ТДВСМ может производиться всеми известными для ДВС способами: ручным, стартером 12, накатом при перемещении движителя на буксире или под уклон, а также сжатым воздухом. В ТДВСМ кинематическим соединением валов компрессоров (РПК-1) 6, (РПК-2) 7, насосов РНО 8, РНВ 9, РНМ 10, РНТ 11, стартеров 12 и генераторов 13 с ведущими зубчатыми колесами 14 вала 15 внутренней нагрузки образуется групповой привод механической передачи в каждом МС1 и МС2. В ТДВСМ через групповой привод механической передачи обеспечиваются собственные потребности МС1 и МС2 для осуществления термодинамических процессов сжатия. Запуск от стартера(ов) 12 осуществляется с асинхронным вращением в ТПР 21 многопоршневых роторных колес 63 и 64 при выключенных обгонных муфтах 68, т.е. без кинематического соединения валов 4 и 15 отбора мощности. При других способах запуска собственные потребности МС1 и МС2 для осуществления термодинамических процессов сжатия обеспечиваются при синхронном вращении роторных колес 63 и 64 ТПР 21 с кинематическим соединением валов 4 и 15 отбора мощности при включенных обгонных муфтах 68. Запуск и последующая работа ТДВСМ связаны с различными энергетическими преобразованиями электрической, кинетической и потенциальной энергии в механическую работу, которая в рабочем цикле двигателя частично затрачивается через групповые приводы механических передач на функционирование МС1 и (или) МС2, обеспечивая прежде всего собственные потребности двигателя в процессе впуска и сжатия компонентов топливной смеси с раздельной их подачей по магистралям сжатия, а затем с предварительной, в МР3, и окончательной подготовкой всех топливных компонентов к внутреннему смесеобразованию в ТМ 25 и сгоранию топлива в камере сгорания с комбинированным расширительным соплом 24. Запуск стартерами 12 обеспечивается электрической энергией аккумуляторов. При запуске стартером(ами) 12 в МС1 и (или) МС2 через групповой привод механической передачи работают группы компрессоров двухступенчатого сжатия (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, роторные насосы РНО 8, РНВ 9, РНМ 10, РНТ 11 и генераторы 13, которые подают ранее профильтрованные компоненты топливной смеси по индивидуальным магистралям сжатия в секционный теплообменник 92 камеры сгорания ТМ 25, ГРМ 26, РИВ 27 и сжимают их в монтажно-теплообменных отсеках МР3 и ТМ 25 ТДВСМ. Запуск накатом реализуется кинетической энергией движителя через вал 4 отбора мощности. Для запуска сжатым воздухом используется электрическая энергия аккумулятора, преобразованная через групповой привод механической передачи в потенциальную энергию (энергию деформации) сжатого воздуха, запасы которого создаются в РИВ 27. При запуске накатом или сжатым воздухом ускоренно вращающийся вал 4 отбора мощности включает обгонные муфты 68, синхронизируя вращение валов отбора мощности 4 внешней и 15 внутренних нагрузок. При этом запуск ТДВСМ осуществляется через групповой привод механической передачи, но не от стартера(ов) 12, а через вал(ы) 15 отбора мощности внутренних нагрузок, в МС1 и (или) МС2 все также работают группы компрессоров двухступенчатого сжатия (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, роторные насосы РНО 8, РНВ 9, РНМ 10, РНТ 11 и генераторы 13, обеспечивая поступление компонентов топливной смеси для внутреннего смесеобразования в камере сгорания ТМ 25.
В ТДВСМ система пуска и системы впуска продублированы МС1 и МС2. Дублированием комбинируются разнообразные, в том числе экономичные и форсированные, режимы запуска и работы ТД, а также обеспечивается высокая надежность и работоспособность ТДВСМ. Запускать ТДВСМ можно одним или двумя стартерами 12 в каждом МС1 и (или) МС2. При этом запуск стартерами 12 или накатом движителя можно осуществлять без предварительной подготовки компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию или с предварительной подготовкой.
При запуске ТДВСМ от стартера(ов) 12 или через вал 4 отбора мощности, производимый без предварительной подготовки компонентов топливной смеси, механизм 82 управления ГРМ 26 (управления двигателем) включен. Через групповой привод механической передачи работают компрессоры (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, насосы РНО 8, РНВ 9, РНМ 10, РНТ 11, стартеры 12 и генераторы 13, вращаются многопоршневые роторные колеса 64 (63 и 64 при запуске накатом), продувая индивидуальные магистрали расширения. По индивидуальным магистралям сжатия компоненты топливной смеси поступают через систему обратных клапанов и монтажно-теплообменных отсеков в ТМ 25 для внутреннего смесеобразования (см. описание многоканальной системы впуска и системы питания). При включенном механизме 82 управления в ГРМ 26 впускное окно 80 регулировочного клапана 79 и впускное окно 89 корпусной оболочки 86 частично или полностью совмещены. Сжатый воздух проходит через РИВ 27 и совмещенные в ГРМ 26 окна 80 и 89 с частотой работы компрессоров (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7. Воздух пульсирующим образом подается через обратные клапаны 110 и воздушные 113 жиклеры плавающего поршня 104 в камеру сгорания ТМ 25, продувая ее для наполнения свежим зарядом топливной смеси. Вращение компрессорных 64 (запуск стартером 12) или всех (тягового 63 и компрессорных 64 при запуске накатом или сжатым воздухом) роторных колес способствует продувке магистрали расширения и равномерному заполнению свежим зарядом камеры сгорания ТМ 25. Во время запуска и при дальнейшей работе ТДВСМ в РИВ 27 создаются и пополняются запасы сжатого воздуха, его пульсации практически исчезают, а избыточное давление воздуха даже стравливается в магистраль расширения через предохранительный клапан 127. В то же время топливным преобразователем 81 открываются топливные 112 жиклеры плавающего поршня 104, через которые жидкое моторное топливо поступает в камеру сгорания ТМ 25. В камере сгорания ТМ 25 осуществляется внутреннее смесеобразование эжекторным принципом действия с аэрозольным распылением и перемешиванием воздуха и жидкого топлива, так как кинетическая энергия потока сжатого воздуха отсасывает жидкое топливо из топливного преобразователя 81 и распыляет его. Постоянными электрическими искровыми разрядами свечей 114 зажигания холодная и плохо перемешанная топливная смесь в камере сгорания ТМ 25 воспламеняется и сгорает. Давление в камере сгорания ТМ 25 возрастает, расширяющиеся газы ускоренно истекают через комбинированное расширительное сопло 24 и направляющее отверстие 23, вращая многопоршневые роторные колеса 63 и 64, и по магистралям расширения удаляются в атмосферу окружающей среды. Причем скорость сгорания топливной смеси со временем постепенно увеличивается и интенсивность тепловыделения в камере сгорания ТМ 25 возрастает. Возрастающее с прогревом ТДВСМ тепловыделение в камере сгорания ТМ 25 регулируется уровнем смесеобразования и задается приводом механизма 82 управления, а цикл подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 устанавливается плавающим поршнем 104 по тепловому и механическому балансу ТДВСМ. Самоустанавливающееся смесеобразование осуществляется под давлением компонентов топливной смеси, поступающих в камеру сгорания ТМ 25. Плавающим поршнем 104 поступление топлива и воздуха в камеру сгорания ТМ 25 прекращается при избыточных давлениях газов в камере сгорания ТМ 25. До тех пор, пока в процессе расширения рабочими телами не будет совершена механическая работа, соответствующая тепловыделению, давление в камере сгорания ТМ 25 не упадет, смещенный плавающий поршень, поджатый пружиной 106, не вернется в свое исходное положение для того, чтобы обеспечить новое смесеобразование топлива с воздухом. Процесс подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 ускоряется не только теплообменными процессами, происходящими в ТМ 25, но и дополнительной подачей окислителя в камеру сгорания ТМ 25. Перекись водорода постоянно пересекает фронт распространения пламени в камере сгорания у жаропрочного купола 90 испарителя и периодически пересекает фронт распространения пламени вокруг плавающего поршня 104 при его смещениях. Высокоскоростное сгорание топливной смеси происходит с интенсивным тепловыделением в камере сгорания ТМ 25, которое теплообменными процессами частично используется для подготовки компонентов топливной смеси как к внутреннему смесеобразованию, так и к преобразованию перекиси водорода и воды в перегретый пар. В процессе запуска нагретая вода из парогенератора 100 комбинированного расширительного сопла 24 поступает в направляющее отверстие 23 и перемешивается с ускоренно истекающим из комбинированного расширительного сопла 24 газовым потоком. При запуске ТДВСМ перекись водорода в камере сгорания ТМ 25 и вода в направляющем отверстии 23 аэрозольно перемешиваются с ускоренно расширяющимся газовым потоком, увеличивая его массу, и суммарным импульсом сил бинарных рабочих тел воздействует на многопоршневые роторные колеса 63 и 64 ТПР 21. Самонастраивающийся цикл подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 устанавливается плавающим поршнем 104 по тепловому и механическому энергетическому балансу. Заданный приводом механизма 82 управления уровень самоустанавливающегося смесеобразования осуществляется плавающим поршнем 104 под избыточным сбалансированным давлением топлива и воздуха, превышающим давление рабочих тел в камере сгорания ТМ 25. Цикл подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 предопределяет уровень тепловыделения фиксированным положением плавающего поршня 104 по энергетическому балансу ТДВСМ. Причем цикл подвода теплоты при постоянном объеме, смешанный или при постоянном давлении происходит соответственно при подвижном и (или) неподвижном положении плавающего поршня 104. Зачастую такое внутреннее смесеобразование имеет переходной, в том числе и затухающий колебательный, характер и фактически не зависит от угловой скорости вращения валов 4 и 15 отбора мощности при достаточных запасах компонентов топливной смеси, подготовленных к внутреннему смесеобразованию. Альтернативное форсуночное (инжекторное) смесеобразование, применяемое в ДВС, осуществляет внутреннее смесеобразование с жесткой зависимостью от вращения вала отбора мощности. Тогда как внутреннее смесеобразование, осуществляемое плавающим поршнем 104 в ТДВСМ, обеспечивает тепловыделение в камере сгорания ТМ 25 с более гибкой функциональной зависимостью от вращения валов 4 и 15 отбора мощности внешней и внутренней нагрузки, что позволяет полнее использовать внутреннюю энергию топливной смеси, а также подготовить к смесеобразованию новую порцию заряда. Запуск ТДВСМ с одновременной последовательностью осуществления термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения обеспечивается работой стартера 12, накатом движителя или сжатым в РИВ 27 воздухом. При этом в рабочем цикле ТДВСМ камера сгорания с комбинированным расширительным соплом 24 постепенно прогреваются, и компоненты топливной смеси нагреваются теплообменными процессами, происходящими в ТМ 25. Реакционная способность и давление компонентов топливной смеси постепенно возрастают, повышается качество внутреннего смесеобразования в камере сгорания ТМ 25, и высокоскоростное сгорание топливной смеси происходит с более интенсивным тепловыделением. Выравнивается тепловой и механический баланс ТД, и при ускоренно истекающем через комбинированное расширительное сопло 24 потоке рабочих тел обеспечивается устойчивая работа ТДВСМ. Стартер 12 отключают, так как необходимость в его работе отпадает. В принципе стартер 12 и генератор 13 может быть функционально совмещен в один электродвигатель, в котором режим работы стартера изменится на режим работы генератора. Запуск ТДВСМ без подготовки компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию во многом аналогичен запуску ДВС, ГТД и других ТД. Такой запуск затруднен в зимних условиях эксплуатации ТДВСМ и неустойчив, не обеспечивает топливную экономичность двигателя при плохом смесеобразовании и сгорании топливной смеси во время прогрева двигателя до его устойчивой работы. Однако запуск в ТДВСМ возможен и с предварительной подготовкой компонентов топливной смеси.
При запуске ТДВСМ с предварительной подготовкой компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию механизм 82 управления ГРМ 26 (механизм управления двигателем) отключен, а компоненты топливной смеси так же подаются по индивидуальным магистралям сжатия через систему обратных клапанов и монтажно-теплообменных отсеков в ТМ 25. Во время запуска воздух и окислитель (из камеры сгорания ТМ 25), а также охладитель (из парогенератора 100 комбинированного расширительного сопла 24) по индивидуальным магистралям расширения удаляется вращающимися многопоршневыми роторными колесами 63 и 64 ТПР 21 (эжекторным принципом действия) в атмосферу окружающей среды. В дальнейшей работе ТДВСМ окислитель способствует высокоскоростному сгоранию топлива и интенсивному тепловыделению в камере сгорания ТМ 25. Охладитель и часть невостребованного окислителя, перемешиваясь с расширяющимся газовым потоком, увеличивают суммарный импульс рабочих тел и снижают высокотемпературное воздействие на элементы конструкции двигателя при сгорании и расширении рабочих тел в процессе запуска и работы ТДВСМ. При подготовке к запуску топливные 112 жиклеры плавающего поршня 104 в ГРМ 26 перекрыты топливным преобразователем 81, внутреннее смесеобразование топлива с воздухом в камере сгорания ТМ 25 отсутствует. Поэтому при запуске в замкнутых объемах теплообменных отсеков магистралей сжатия как сжатый воздух, так и жидкое моторное топливо, подвергают электротермической обработке. Для такой подготовки топливной смеси в ТМ 25 совмещают завершение процесса сжатия с процессом подвода теплоты. Смысл подготовки сводится к повышению реакционной способности молекул при их совместном взаимодействии, заключается в ослаблении межмолекулярных валентных связей топлива, возбуждении и активации молекул топлива и воздуха, в том числе с аллотропическими изменениями молекул. В результате предварительной подготовки компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию гетерогенное смесеобразование (жидкость - газ) заменяется гомогенным газообразным смесеобразованием (газ - газ), что расширяет пределы воспламеняемости топливной смеси и исключает многие факторы, влияющие на скорость сгорания и интенсивность тепловыделения. Жидкостная система охлаждения в (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7 способствует плавной, равномерной работе компрессоров и увеличению массового заряда сжимаемого атмосферного воздуха. Сжатый компрессорами до 1,0 МПа воздух поступает в РИВ 27, где накапливается и со временем нагревается, утилизируя тепловые потери двигателя, и ионизатором 29 ионизируется. В РИВ 27 не только сглаживаются колебания давления, вызываемые пульсирующей подачей и прерывистым и неравномерным расходом сжатого воздуха, но и осуществляется ионизаторами 29 дальнейшая топливная подготовка, например в виде фото-, термо-, ударной и (или) электроионизации. Таким образом, в подготовленном для смесеобразования сжатом воздухе происходят аллотропические видоизменениям молекул кислорода, из которых в результате образуются более активные для окисления молекулы озона. При запуске ТДВСМ включают регулируемый приводом механизма 82 управления подогрев воздуха и топлива. Подогрев сжатого воздуха осуществляют в ГРМ 26 термоэлектрическими нагревателями 126, а жидкое моторное топливо перегревают электрическим нагревательным элементом 120, расположенным в центральном отверстии 118 топливного преобразователя 81. При работе двигателя предварительный подогрев сжатого воздуха происходит в РИВ 27 рекуперативным теплообменом с элементами корпусной оболочки 20 и теплообменными капиллярными трубками 30. Затем в ГРМ 26 электротермическая обработка сжатого воздуха осуществляется термоэлектрическими нагревателями 126 и завершается плавающим поршнем 104 ГРМ 26, поэтому температура сжатого озонированного воздуха, подготовленного в внутреннему смесеобразованию, может быть доведена до 300°С...400°С при запуске, а затем и до 400°С...500°С при работе, что вполне достаточно для самовоспламенения топливной смеси, тем более, что процесс воспламенения дублируется постоянными искровыми разрядами свечей зажигания 114 и впрыском окислителя. Утилизация тепловых потерь ТД, осуществляемая компонентами топливной смеси в результате регенеративного и рекуперативного теплообмена, способствует не только увеличению термического к.п.д. двигателя, но и лучшему сгоранию топливной смеси. Активизированные и возбужденные молекулы топлива и воздуха обладают большей реакционной способностью к совместному взаимодействию, приводящему к высокоскоростному и даже детонационному (взрывному) сгоранию топлива с интенсивным тепловыделением и увеличенным суммарным импульсом рабочих тел, ускоренно истекающих при расширении из комбинированного расширительного сопла 24. Аналогичным образом в ТДВСМ осуществляется поступление остальных топливных компонентов по своим трактам магистралей сжатия, в том числе и жидкого топлива по тракту поступления топлива в топливную систему ГРМ 26 и его топливного преобразователя 81, у которого топливный жиклер 119 перекрыт плавающим поршнем 104. Жидкое моторное топливо, находящееся без доступа воздуха в замкнутом объеме центрального отверстия (полости) 118 топливного преобразователя 81, перегревается электрическим нагревательным элементом 120 до температуры, превышающей температуру его кипения. Для этого электрическим нагревательным элементом 120 подводится и передается теплота парообразования, превышающая удельную теплоту парообразования жидкого моторного топлива. Температура кипения разных моторных топлив различна и находится в диапазоне 35°С...350°С, кроме того, бензины и керосины состоят из смеси углеводородов и поэтому не имеют определенной точки кипения, так как вначале закипают наиболее легкоиспаряющиеся топливные компоненты, а с повышением температуры и остальные, при этом удельная теплота парообразования для жидких моторных топлив доходит до 300...400 и даже 970 (кДж/кг). После непродолжительной подготовки компонентов топливной смеси механизм 82 управления включают, и в ГРМ 26 ТМ 25 поворачивается регулировочный клапан 79, совмещенный винтовой парой с топливным преобразователем 81. При повороте частично и (или) полностью совмещается впускное окно 89 корпусной оболочки 86 в ГРМ 26 с профилированным впускным окном 80 регулировочного клапана 79 и сжатый озонированный воздух из РИВ 27 поступает в ГРМ 26, где нагревается термоэлектрическим нагревателем 126. Сжатый нагретый озонированный воздух заполняет камеру сгорания ТМ 25, проходя через обратные клапаны 110 и воздушные 113 жиклеры плавающего поршня 104, и устремляется в магистраль расширения, где, ускоряясь в комбинированном расширительном сопле 24 и направляющем отверстии 23, попадает на вращающиеся многопоршневые роторные колеса 63 и 64. Идет опережающий процесс очистки и подготовка камеры сгорания ТМ 25 к свежему заряду. Топливный преобразователь 81 во время поворота регулировочного клапана 79 поступательно отходит от плавающего поршня 104 и открывает топливные 112 жиклеры. В то же время жидкое моторное топливо, перегретое электрическим нагревателем 120 в замкнутом объеме теплообменного отсека 118 и жиклера 119 топливного преобразователя 81, через приоткрытую полость 108 и топливные 112 жиклеры плавающего поршня 104 под давлением газообразного потока устремляется в камеру сгорания ТМ 25. Направленные топливными 112 и воздушными 113 жиклерами плавающего поршня 104 газообразные потоки легких и тяжелых фракций топлива и озонированного воздуха под собственным давлением циклонообразно перемешиваются, образуя в камере сгорания ТМ 25 вихревую топку с самовоспламенением топливной смеси. Высокоскоростное сгорание качественно подготовленной топливной смеси происходит с интенсивным тепловыделением. В результате топливной подготовки достигается топливная экономичность и практически не требуется прогрев, необходимый для совершения устойчивой работы двигателя.
Запуск ТДВСМ, отличающийся сочетанием разнообразных вариантов, в том числе с подготовкой топливной смеси, обеспечивает топливную экономичность и надежность запуска.
Запуск и последующая работа ТДВСМ реализуется рабочим циклом с одновременной последовательностью осуществления термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, что позволяет осуществить подготовку компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию. При разделении энергетических затрат на внутреннюю и внешнюю нагрузки и создании каскада монтажно-теплообменных отсеков в магистралях сжатия ТДВСМ применяется продолжительная по времени ионизация сжатого воздуха и используется теплообменный подогрев компонентов топливной смеси. Окончательная подготовка жидких компонентов реализуется явлением фазового перехода первого рода, возникающим в замкнутых теплообменных отсеках ТМ 25, в том числе и в замкнутом (или ограниченном плавающим поршнем 104) отсеке 118 топливного преобразователя 81. Тогда как сжатый воздух запасается и подогревается в РИВ 27, где продолжительное время ионизируется, а ионизатором 29 обеспечиваются аллопропические изменения молекул кислорода (кислород преобразуется в более агрессивный окислитель озон). Созданные в РИВ 27 запасы сжатого воздуха обладают потенциальной энергией, достаточной для обеспечения собственных потребностей ТДВСМ при поступлении всех топливных компонентов в ТМ 25 и осуществлении ГРМ 26 самоустанавливающегося внутреннего смесеобразования с принудительным воспламенением топливной смеси в камере сгорания от свечей 114 зажигания. Во время запуска и работы ТДВСМ в камере сгорания ТМ 25 тепловая энергия, выделяемая при внутреннем подводе теплоты, дополняется кинетической энергией расширяющегося пара, полученного в парогенераторе 100 комбинированного расширительного сопла 24 при внешнем подводе теплоты. В конечном итоге кинетическая энергия с увеличенной массой парогазового потока бинарных рабочих тел суммарным импульсом сил обеспечивает в ТПР 21 вращение всех роторных колес 63 и 64, завершая последовательность энергетических преобразований механической работой ТДВСМ. Неизбежные тепловые потери ТД через теплообменные процессы утилизируются компонентами топливной смеси, что способствует их предварительной подготовке как для внутреннего смесеобразования (топливо, воздух и окислитель), так и для подготовки бинарного рабочего тела (вода системы охлаждения постепенно превращается в пар). Завершение подготовки компонентов топливной смеси заключается в дополнительном подводе теплоты парообразования. Достигается осуществлением фазового перехода первого рода при совмещении процессов сжатия с упреждающим в ТМ 25 и форсированным электротермической обработкой в ГРМ 26 процессом подвода теплоты, как перед процессом смесеобразования, так и в ходе его осуществления. При фазовом переходе первого рода происходит переход вещества из одной фазы в другую, со сменой агрегатного состояния жидкого моторного топлива на газообразное топливо, включая его различные легкие и тяжелые фракции. Фазовый переход процесса испарения и кипения жидкого моторного топлива в замкнутом объеме полости 118 топливного преобразователя 81 скачком изменяет плотность топлива, его внутреннюю энергию, энтропию и энтальпию. При запуске и дальнейшей работе ТДВСМ в ТМ 25 в процессе сжатия дополнительно подводится теплота фазового перехода в секционном теплообменнике 92, ГРМ 26 и топливном преобразователе 81. Теплота, измеряемая скачком энтальпии (теплосодержания) при постоянстве температуры и давления или объема, подводится импульсно при постоянстве объема в изохорическом процессе и (или) постоянно при неизменном давлении в изобарическом процессе, что зависит от самонастраивающегося подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25. Самонастраивающийся подвод теплоты зависит от теплового и механического баланса двигателя, определяется тепловыделением в камере сгорания ТМ 25 и сопротивлением общей нагрузки ТДВСМ. Подвод теплоты зависит от положения плавающего поршня 104 в камере сгорания ТМ 25 при самоустанавливающемся смесеобразовании по заданному приводом механизма 82 управления уровню смесеобразования, формирующего топливный заряд. При запуске и работе ТДВСМ уровень смесеобразования задается (в ручном режиме управления работой ТД) приводом механизма 82 управления. При включенном механизме 82 управления внутреннее смесеобразование в камере сгорания ТМ 25 регулируется подачей топлива и обеспечивается пропускной способностью топливных жиклеров 112 и 119, а также изменением зазора в полости 108, образовавшейся между плавающим поршнем 104 и топливным преобразователем 81. Поступление сжатого воздуха через обратные клапаны 110 и воздушные 113 жиклеры осуществляется самостоятельно, регулируется и контролируется обратными клапанами 110, тогда как поступление в камере сгорания ТМ 25 топлива обеспечивается и контролируется плавающим поршнем 104, поджатым пружиной 106, прекращается и возобновляется при его перемещениях. Однако в пределах установленной механизмом 82 управления подачи топлива (при постоянном зазоре в полости 108 и автоматическом управлении работой ТД) внутреннее смесеобразование самостоятельно корректируется дополнительной подачей воздуха. При увеличении внешней нагрузки в ТПР 21 изменяются крутящие моменты вращения многопоршневых роторных колес 63 и 64. Ускоренным вращением компрессорных роторных колес 64 через групповой привод механической передачи увеличивается поступление компонентов топливной смеси в ТМ 25 и повышенным давлением корректируется в камере сгорания ТМ 25 внутреннее смесеобразование. Причем независимым разделением энергетических потоков топлива и воздуха в ГРМ 26 обеспечивается опережающее поступление сжатого воздуха, что определяется большей пропускной способностью обратных клапанов 110 с воздушными жиклерами 113 по сравнению с пропускной способностью топливных 119 и 112 жиклеров при различном возрастании давлений воздуха и топлива. При этом тепловыделение в камере сгорания ТМ 25 обедненной топливной смеси компенсируется массой смесеобразования, а полное сгорание обогащенной топливной смеси достигается дополнительной подачей окислителя. В любом случае при автоматической или ручной корректировке топливной смеси увеличивается масса рабочих тел, ускоренно истекающих из комбинированного расширительного сопла 24. Теплообменные процессы, происходящие в камере сгорания ТМ 25 между ее элементами и компонентами топливной смеси, не снижая интенсивности тепловыделения, уменьшают влияние высокотемпературных воздействий на элементы конструкции ТД и применяемые материалы. Таким образом, в камере сгорания ТМ 25 ТДВСМ осуществляется подвод теплоты при постоянном объеме (полностью пульсирующий) или смешанный подвод теплоты (частично пульсирующий) или подвод теплоты при постоянном давлении (непрерывный). В цикле подвода теплоты при постоянном объеме жидкое моторное топливо, перегретое без доступа воздуха в замкнутом объеме полости 118 топливного преобразователя 81 (в результате фазового перехода первого рода), резко изменяет объем и быстро испаряется. Топливо под высоким давлением в газообразном состоянии легких и тяжелых фракций устремляется в камеру сгорания ТМ 25. Топливные 112 и воздушные 113 жиклеры в плавающем поршне 104 обеспечивают циклоническое завихрение и хорошее перемешивание легких и тяжелых газовых фракций топлива с воздухом. Качественно подготовленная топливная смесь самовоспламеняется, образуя в камере сгорания ТМ 25 вихревую топку. Принудительное бесперебойное воспламенение электрической искрой от свечей 114 зажигания с самоустанавливающимся по тепловыделению впрыском окислителя дублирует воспламенение топливной смеси и способствует более полному гомогенному диффузионному сгоранию топлива. В цикле подвода теплоты при постоянном давлении жидкое моторное топливо при фазовом переходе первого рода вскипает, протекая через отсек 118 и жиклер 119 топливного преобразователя 81, затем проходит регулировочную полость 108 и топливные 112 жиклеры плавающего поршня 104 и в парогазообразном виде тяжелых и легких фракций поступает в камеру сгорания ТМ 25. Аналогичный процесс происходит с окислителем, который, перегреваясь в секционном теплообменнике 92 ТМ 25, также в парогазообразном виде пересекает фронт распространения пламени в камере сгорания ТМ 25. Количественное и качественное поступление окислителя нормируется пропускной способностью жиклеров 102 и 103 при основной и дополнительной подаче окислителя. Таким образом, при запуске и работе ТДВСМ, самоприспосабливающийся к изменению внешней нагрузки, обеспечивает по тепловому и механическому балансу самонастраивающийся цикл подвода теплоты при самоустанавливающемся внутреннем смесеобразовании. Причем ручное управление изменения качественного и количественного соотношения состава топливной смеси корректируется автоматически по заданному уровню смесеобразования.
Режим работы любого ТД характеризуется совокупностью параметров, ограничивающих его работу (крутящий момент, угловая скорость, расход топлива и воздуха и многие другие влияющие факторы). Он может быть установившимся (равновесным) при стабильных параметрах работы двигателя с учетом тяговой, стационарной или винтовой характеристик потребителя. Однако ТД довольно часто приходится работать в различных условиях переходных процессов при неустановившихся (неравновесных) режимах, вызванных изменением порой даже одного параметра. При работе ТД наиболее типичными возмущениями его нормальной устойчивой работы являются изменение внешней нагрузки на выходном валу отбора мощности и изменение его заданного скоростного режима работы. Положительное самовыравнивание двигателя без какого-либо воздействия на его органы управления обеспечивает установившийся режим работы ТДВСМ, самоприспосабливающийся к изменению внешней нагрузки. Поддерживая равенство крутящего момента на валу 4 отбора мощности и момента сопротивления нагрузки, ТДВСМ при запуске и работе перераспределяет в ТПР 21 силовые энергетические потоки рабочих тел на валах отбора мощности 4 внешней и 15 внутренней нагрузки. При установленном тепловыделении и возрастании внешней нагрузки ТПР 21, снижая угловую скорость вращения тягового роторного колеса 63 с валом отбора мощности 4 внешней нагрузки, увеличивает угловые скорости вращения компрессорных роторных колес 64 при асинхронном опережающем вращении валов отбора мощности 15 внутренней нагрузки. При возрастании внешней нагрузки тепловые потери в камере сгорания ТМ 25 возрастают, увеличивая теплообменными процессами в ТМ 25 подготовку компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию, в том числе и через групповой привод механической передачи, увеличивая их подачу. Причем у компонентов топливной смеси, находящихся в РИВ 27, секционном теплообменнике 92, парогенераторе 100 и ГРМ 26 степень повышения давления возрастает. В камеру сгорания ТМ 25 под собственными давлениями увеличивается поступление топлива и воздуха через жиклеры 112 и 113 плавающего поршня 104, а через жиклеры 102 и 103 (при необходимости) поступление окислителя, в результате чего самоустанавливающимся внутренним смесеобразованием в камере сгорания ТМ 25 увеличивается заряд топливной смеси. Самовоспламенение и высокоскоростное сгорание топливной смеси с интенсивным тепловыделением в камере сгорания ТМ 25 восстанавливает установленный приводом механизма 82 управления нарушенный тепловой и механический баланс ТДВСМ. Так в ТДВСМ восстанавливается нарушенное равенство энергетического баланса термодинамического цикла ТД и обеспечивается способность термодинамической системы (внутренней энергии, давления и объема) при заданном тепловыделении выполнить необходимую механическую работу по преодолению внутренней и внешней нагрузок. Наличие давления рабочих тел, образовавшихся в камере сгорания ТМ 25, создает потенциальную возможность для выполнения механической работы. Воплощение в механическую работу тепловой энергии реального тепловыделения с увеличенным давлением происходит при изменении объема рабочих тел в магистралях расширения, включая камеру сгорания ТМ 25, комбинированное расширительное сопло 24 с направляющим отверстием 23 и ТПР 21 с его вращающимися роторными колесами 63 и 64. Установившийся режим работы ТД поддерживается во временном интервале при условии равенства количества подводимой и отводимой энергии с соблюдением теплового и механического балансов. Для этого собственные потребности ТДВСМ и его устойчивая работа во время запуска и работы обеспечиваются подготовкой в ТМ 25 компонентов топливной смеси в постоянном объеме по температуре и давлению с созданием необходимого топливного заряда внутреннего смесеобразования для достаточного тепловыделения в камере сгорания ТМ 25. При запуске и работе в режиме холостого хода (ТД работает «сам на себя») тепловыделение в камере сгорания ТМ 25 компенсирует внутренние тепловые и механические потери ТДВСМ при синхронном вращении валов внешней 4 и внутренней 15 нагрузки. ТДВСМ поддерживает через групповой привод механической передачи давление компонентов топливной смеси для самоустанавливающегося внутреннего смесеобразования при синхронном вращении валов отбора мощности внешней 4 и внутренней 15 нагрузки. Недостаточное для преодоления внешних нагрузок тепловыделение увеличивается при работе ТДВСМ. Через привод механизма 82 управления доводят тепловыделение в камере сгорания ТМ 25 до уровня, достаточного для преодоления ТДВСМ внешней нагрузки при асинхронном или синхронном вращении валов отбора мощности 4 внешней и 15 внутренней нагрузки всех роторных колес 63 и 64 ТПР 21. Меняя поступление топлива приводом механизма 82 управления, в камере сгорания ТМ 25 изменяют тепловыделение, способное обеспечить работу ТДВСМ с замедленным, равномерным и ускоренным вращением валов 4 и 15 отбора мощности при их асинхронном или синхронном вращении. Именно равноускоренное, равномерное или равнозамедленное движение транспортного средства (движителя) обобщает разнообразные режимы работы любого ТД и отражает общее состояние его энергетического баланса. Сжатый в герметичных объемах (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7 воздух, подача которого в камеру сгорания ТМ 25 регулируется обратными клапанами 110 через воздушные 113 жиклеры плавающего поршня 104, исключает при работе ТДВСМ помпаж, присущий ГТД. Сжатый воздух обладает потенциальной энергией, способной при расширении в камере сгорания ТМ 25 и ускоренном истечении из комбинированного расширительного сопла 24 с сопрягающим направляющим отверстием 23 переходить в кинетическую энергию воздушного потока. Ускоренно истекающий воздушный поток воздействует в тангенциальном направлении на роторные колеса 63 и 64 ТПР 21 и трансформируется в кинетическую энергию вращения вала 4 внешней и валов 15 внутренней нагрузки двигателя, совершая при этом механическую работу. Однако запасы потенциальной энергии сжатого воздуха очень быстро закончатся при тепловых и механических потерях ТД, вращение валов отбора мощности 4 внешней и 15 внутренней нагрузок прекратится, а ТДВСМ остановится. Поэтому при запуске и работе ТДВСМ для получения и восполнения запасов компонентов топливной смеси в РИВ 27, секционном теплообменнике 92 ТМ 25 и его ГРМ 26 подготавливают компоненты топливной смеси к внутреннему смесеобразованию, увеличивая их потенциальную энергию. При самоустанавливающемся внутреннем смесеобразовании увеличивают степень повышения давления для компонентов топливной смеси до 1 МПа, повышая заряд топливной смеси во время заполнения камеры сгорания ТМ 25 газообразным топливом и сжатым ионизированным воздухом. Пересекающиеся потоки газообразного топлива и нагретого озонированного воздуха сводят к минимуму влияние остаточных газов в камере сгорания ТМ 25, а самовоспламенение топливной смеси дублируют электрическими разрядами свечей 114 зажигания. Кроме того, топливную смесь дожигают перекисью водорода, которая пересекает фронт распространения пламени в камере сгорания ТМ 25, поступая из жиклеров 102 и 103. Такому эффективному сгоранию предшествует предварительная подготовка топливных компонентов к внутреннему смесеобразованию, осуществляемая рекуперативным и регенеративным теплообменом в ТДВСМ. В результате подготовки топливных компонентов их атомы и молекулы активизируются и переходят в возбужденное состояние, а затем при внутреннем смесеобразовании в камере сгорания ТМ 25 взаимодействуют между собой с меньшей энергией активации, необходимой топливному заряду для осуществления скоротечных экзотермических реакций. Высокоскоростное сгорание топливного заряда происходит с интенсивным тепловыделением как во время внутреннего смесеобразования (цикл подвода теплоты при постоянном давлении), так и после завершения внутреннего смесеобразования (цикл подвода теплоты при постоянном объеме). Выделяемая при этом тепловая энергия способствует 5...10-кратному повышению давления в камере сгорания ТМ 25. Последующее расширение больших давлений рабочих тел в малых герметичных объемах расширения дополняется расширением малых давлений рабочих тел в больших негерметичных объемах расширения, что способствует более полному превращению процесса расширения в механическую работу и обеспечивает топливную экономичность ТДВСМ. Интенсивное тепловыделение, полученное в результате быстрого и полного сгорания топлива, в том числе и детонационного, имеет корпускулярно-волновой характер. При этом выделяемая тепловая энергия приводит к резкому увеличению (давления) хаотичного молекулярно-атомарного движения частиц продуктов сгорания (рабочих тел) по всем степеням свободы (всем направлениям в камере сгорания ТМ 25) с изменением потенциальной и кинетической энергии рабочего тела. Совместно с волновым излучением часть импульсов сил рабочего тела через теплообменные процессы, происходящие главным образом в камере сгорания ТМ 25 и комбинированном расширительном сопле 24 магистрали расширения, затрачиваются на подготовку компонентов топливной смеси к последующему внутреннему смесеобразованию. Газовый поток, ускоренно истекающий со сверхзвуковой скоростью из комбинированного расширительного сопла 24, перемешивается в направляющем отверстии 23 с паром, выходящим из парогенератора 100 комбинированного расширительного сопла 24. По закону сохранения импульса тангенциально направленный поток рабочих тел суммарным импульсом сил изменяет импульсы сил (количество движения) тягового 63 и компрессорных 64 роторных колес. Импульсы сил, действующие на поршневые лопасти 65 и 66, вращают роторные колеса 63 и 64, изменяя их крутящие моменты, и совершают механическую работу на валу 4 отбора мощности (вал внешней нагрузки) и валах 15 собственных потребностей двигателя (валы внутренней нагрузки). При этом изменение количества движения равно импульсу силы и происходит по направлению действия силы. В отсеках жаропрочного секционного теплообменника 92 вода в отсеке 93, дополнительный окислитель в отсеке 94 и топливо в отсеке 95 снижают высокотемпературное воздействие рабочих тел на камеру сгорания ТМ 25 и другие элементы конструкции ТДВСМ. Окислитель (перекись водорода) применяется для гарантированного сжигания топлива при недостаточном поступлении воздуха в камеру сгорания ТМ 25 и совместно с водой, преобразованной в парогенераторе 100 комбинированного расширительного сопла 24 в перегретый пар, используется как бинарное рабочее тело, но уже в комбинированном термодинамическом цикле ТДВСМ. Рабочие циклы ДВС, РПД и ГТД частично преобразуют выделяемое тепло в механическую работу. В ДВС и РПД расширяющиеся в малых герметичных объемах газы давят на поршень, при этом часть тепла отводится системой охлаждения, снижая температурные напряжения элементов конструкции ТД. В ГТД расширяющиеся в больших негерметичных объемах газы ускоренно истекают реактивной струей, вращая турбину, однако, выделяемая тепловая энергия используется также не производительно и удаляется в окружающую среду. Тепловая энергия, выделяемая в камере сгорания ТМ 25, зависит от количественного и качественного состава поступившей и сгоревшей топливной смеси. Приводом механизма 82 управления в камере сгорания ТМ 25 может быть создана обедненная, нормальная или обогащенная топливная смесь. ГРМ 26 осуществляет автоматическое смесеобразование в камере сгорания ТМ 25, в зависимости от уровня подачи топлива и суммарной нагрузки на ТПР 21, обеспечивает самонастраивающуюся работу ТДВСМ по комбинированному термодинамическому циклу с постоянным давлением или с постоянным объемом или смешанному термодинамическому циклу работы двигателя. Одновременно ТДВСМ совмещает обычный газовый цикл работы двигателя с паротурбинным циклом.
Различные режимы работы ТДВСМ отражают общее состояние его энергетического и эксергетического балансов, сводятся к соблюдению равенства крутящих моментов на валах отбора мощности 4 внешней и 15 внутренней нагрузки и моментов сопротивления внешней (дорожной) и внутренней нагрузки ТД с учетом подведенной и отведенной теплоты. Подобное равенство обеспечивается энергетическим балансом термодинамического цикла ТД и способностью термодинамической системы выполнить необходимую механическую работу по преодолению внутренней и внешней нагрузок при установленном, а затем и скорректированном подводе теплоты. Тепловой энергией, выделяемой в камере сгорания ТМ 25, обеспечивается устойчивая работа ТДВСМ при запуске и в режиме холостого хода. Энергетический баланс обеспечивается минимальным уровнем выделяемой тепловой энергии, затрачиваемой на преодоление сопротивления моментов инерции ТД, его механические и тепловые потери, связанные с реализацией рабочего цикла при осуществлении термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения. Дальнейшие режимы работы ТДВСМ требуют изменения тепловой энергии, выделяемой в камере сгорания ТМ 25. Для работы ТДВСМ в режиме равноускоренного или равномерного движения необходимо преодолеть возникающие инерционные воздействия, дорожное сопротивление внешней нагрузки и увеличение внутренней нагрузки при возрастании собственных потребностей, что обеспечивается повышением тепловыделения в камере сгорания ТМ 25 при увеличении топливного заряда для совершения положительной механической работы. Работа в режиме равнозамедленного движения или частичного торможения ТД обеспечивается снижением тепловыделения в камере сгорания ТМ 25 при уменьшении топливного заряда для совершения положительной механической работы по преодолению внешней нагрузки. Режим полного торможения ТДВСМ осуществляется без тепловыделения в камере сгорания ТМ 25 с прекращением подачи топлива в камеру сгорания ТМ 25 при отключении механизма 82 управления. При этом ТДВСМ совершает отрицательную механическую работу по преодолению внешней нагрузки и гасит кинетическую энергию транспортного средства внутренними нагрузками МС1 и МС2, обеспечивающими собственные потребности ТДВСМ без создания топливного заряда в камере сгорания ТМ 25 при внутреннем смесеобразовании. В результате комбинаторных сочетаний нагрузки на ТПР 21 в ГРМ 26 осуществляется самоустанавливающееся смесеобразование по положению плавающего поршня 104, обеспечивая обедненный, нормальный или обогащенный топливный заряд сжатого воздуха и газообразного топлива, поступающих под собственными давлениями в камеру сгорания ТМ 25. Фиксированным или перемещающимся положением плавающего поршня 104 устанавливается самонастраивающийся цикл подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 и обеспечивается тепловыделение: при постоянном давлении, смешанное или при постоянном объеме.
Если при работе ТДВСМ включенный механизм 82 управления приоткрыть незначительно, то малые порции дополнительно поступившего топлива и воздуха образуют в камере сгорания ТМ 25 обедненную или нормальную топливную смесь. Теплота, выделяемая в результате сгорания заряда топливной смеси, создает давление незначительно больше давления сжатого воздуха. Плавающий поршень 104, оставаясь на месте под усилием пружины 106 и давлений паров кипящего топлива и сжатого ионизированного воздуха, обеспечивает непрерывное внутреннее смесеобразование в камере сгорания ТМ 25 с постоянно пополняемым топливным зарядом и непрерывным сгоранием топливной смеси при постоянном давлении. Таким образом, в самонастраивающемся плавающим поршнем 104 цикле подвода теплоты при постоянном давлении образовавшийся газовый поток ускоренно истекает через расширительное сопло и вращает роторные колеса 63 и 64 ТПР 21, преодолевая их момент инерции, и удаляется в атмосферу окружающей среды, совершив механическую работу. Синхронное или асинхронное вращение роторных колес 63 и 64 ТПР 21 позволяет МС1 и МС2 через групповой привод механической передачи постоянно пополнять запасы компонентов топливной смеси в ТМ 25 МР3. В камере сгорания ТМ 25 происходит горение топлива при постоянном давлении, а ТДВСМ работает с совмещенным комбинированным циклом, в котором газовый цикл двигателя дополняется паротурбинным циклом. Пар из парогенератора 100 комбинированного сопла 24 поступает на вращающиеся роторные колеса 63 и 64 ТПР 21, увеличивая их крутящие моменты. Поступающий из жиклеров 102 в камеру сгорания ТМ 25 окислитель пересекает и дожигает топливную смесь в районе жаропрочного купола 90, в том числе и при возможных соскоках или отрыве пламени. При таком режиме работы транспортное средство может перемещаться некоторое время с равноускоренным движением по горизонтальной плоскости, при достижении определенной нагрузки, вызванной сопротивлением воздуха, продолжать равномерное движение, а при ее дальнейшем росте (встречный поток ветра) совершать какое-то время равноза-медленное движение. При равнозамедленном движении синхронизация вращения валов 4 и 15 нарушится. Обгонные муфты 68 отключатся и, в результате перераспределения газового потока в ТПР 21, вращение валов 15 увеличится, что в конечном итоге приведет к увеличенной подаче компонентов топливной смеси в ТМ 25 и автоматическому восстановлению нарушенного энергетического баланса. Значительное увеличение внешней нагрузки потребует ручной коррекции механизма 82 управления с количественным добавлением топлива и изменением качественного состава топливного заряда на нормальную или немного обогащенную топливную смесь, сгораемую в камере сгорания ТМ 25 с повышенным тепловыделением. Возрастание давления в камере сгорания ТМ 25 увеличивает ускоренное истечение газового потока и, через его импульс, моменты вращения роторных колес 63 и 64, что позволяет преодолевать увеличение внешней нагрузки.
При дальнейшем и большем открытии механизма 82 управления подача преобразованного кипящего топлива в камеру сгорания ТМ 25 возрастает. При увеличении порции поступившего топлива и воздуха в камере сгорания ТМ 25 образуется нормальная или обогащенная топливная смесь. Давление, выделяемое в камере сгорания ТМ 25 в результате сгорания топливной смеси с увеличенным топливным зарядом, возрастет. Возросшее тепловыделение позволит преодолеть воздействие увеличенной внешней нагрузки (дорожного сопротивления), так как газовый поток, ускоренно истекая через расширительное сопло, увеличенным импульсом сил, изменяя крутящие моменты, быстрее вращает роторные колеса 63 и 64 ТПР 21. Вращающиеся роторные колеса 63 и 64, преодолевая при вращении изменение момента инерции, дополнительно выполняют функции маховиков, способствуя плавной работе ТДВСМ, снижают пульсирующие механические и термодинамические воздействия в ТД. Под избыточным давлением газов со стороны камеры сгорания ТМ 25 плавающий поршень 104 преодолевает прижимное усилие пружины 106 и смещается, перекрывая топливные жиклеры 112 и 119 топливным преобразователем 81. Подача топлива в камеру сгорания ТМ 25 прекращается, но одновременно с основной подачей окислителя из жиклеров 102 постепенно восполняется дополнительная подача окислителя из жиклеров 103. Таким образом, окислитель пересекает фронт пламени в камере сгорания ТМ 25 непрерывно из жиклеров 102 и импульсно из жиклеров 103, обеспечивая совместно с воздухом полное гарантированное сгорание обогащенной топливной смеси даже при соскоках или отрыве фронта пламени в камере сгорания ТМ 25. При больших избыточных давлениях в камере сгорания ТМ 25 поступление сжатого воздуха из РИВ 27 временно уменьшается или полностью перекрывается обратными клапанами 110. При падении давления в камере сгорания ТМ 25 плавающий поршень 104 возвращается на место, прекращая дополнительную подачу окислителя из жиклеров 103, тогда как окислитель из жиклеров 102 постоянно подается в камеру сгорания ТМ 25, дублируя воспламенение топливной смеси, поддерживает ее горение. Через открытые топливные 112 и 119 жиклеры перегретое в топливном преобразователе 81 жидкое топливо скачкообразно испаряется и перемешивается со сжатым озонированным воздухом, обеспечивая импульсное поступление топливного заряда в камере сгорания ТМ 25. Под действием избыточного давления в камере сгорания ТМ 25 обратные клапаны 110с разной производительностью частично или полностью последовательно и ступенчато закрываются, изменяя содержание сжатого воздуха в камере сгорания ТМ 25. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания ТМ 25 только при избыточном давлении РИВ 27. При избыточных давлениях газов в камере сгорания ТМ 25 обратные клапаны 110 закрываются, поступление воздуха прерывается до снижения давления газов при частичном их истечении из камеры сгорания ТМ 25 через расширительное сопло 24. Одновременное или чуть опережающее последовательное поступление воздуха, а затем и топлива в камеру сгорания ТМ 25 обеспечивает продувку камеры сгорания ТМ 25 и определяется расчетными значениями пружин обратных клапанов 110 и прижимной пружины 106 плавающего 104 поршня. Процесс внутреннего смесеобразования обеспечивается давлением компонентов топливной смеси, определяется последовательной ступенчатой пропускной способностью обратных клапанов 110 и соотношением поверхностей плавающего поршня 104 со стороны камеры сгорания ТМ 25 и с его обратной стороны. Импульсное сгорание нового обогащенного топливного заряда осуществляется с более интенсивным тепловыделением в цикле подвода теплоты при постоянном объеме. ТДВСМ при этом будет работать в пульсирующем режиме, который плавно сглаживается вращающимися маховиками роторных колес 63 и 64 ТПР 21.
Смешанный цикл подвода теплоты занимает промежуточное положение между циклом подвода теплоты при постоянном давлении и более мощным циклом подвода теплоты при постоянном объеме. В смешанном цикле подвода теплоты плавающий 104 поршень периодически перемещается и как бы пульсирует между своими крайними положениями в камере сгорания ТМ 25, обеспечивая необходимое внутреннее смесеобразование и тепловыделение для переходного и наиболее частого "среднего" диапазона нагрузок ТДВСМ.
Во всех циклах подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 ТДВСМ работает с совмещенным комбинированным циклом, в котором газовый цикл двигателя дополняется паротурбинным циклом за счет перегретых паров воды и остатков окислителя, которые из комбинированного сопла 24 поступают на поршневые лопасти 65 и 66 ТПР 21. Совмещение больших давлений в малых герметичных объемах расширения с малыми давлениями в больших негерметичных объемах расширения бинарных рабочих тел в ТПР 21 и сочетание внутреннего и внешнего подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 способствуют более полному превращению теплоты в механическую работу, сокращая тепловые потери ТДВСМ. При этом к.п.д. ТДВСМ повышается, транспортное средство перемещается с равноускоренным движением и при достижении определенной нагрузки продолжает равномерное движение. При возникновении значительной нагрузки движение транспортного средства станет равнозамедленным, вплоть до полной его остановки при непреодолимой внешней нагрузке. Однако ТДВСМ не заглохнет, а будет продолжать работать с нарушенной синхронизацией вращения валов 4 и 15, пытаясь автоматически восстановить тепловой и механический энергетический баланс даже при полном включении механизма управления 82 двигателя с ручной коррекцией в полуавтоматическом режиме работы. Энергетический недостаток комбинированного парогазового потока вследствие значительного возрастания внешней нагрузки на валу 4 отбора мощности приведет к замедлению вращения центрального роторного колеса 63, что может вызвать даже его остановку и термический перегрев. Самопроизвольное перераспределение комбинированного парогазового потока в ТПР 21 приведет к изменению угловых скоростей вращения боковых компрессорных колес 64 и их валов 15, которые через зубчатые колеса 14 группового привода механической передачи ускорят работу всех функциональных модулей, обеспечивающих подачу топливных компонентов. При увеличивающихся тепловых потерях возрастет давление топливных компонентов, а значит, и увеличится их массовая доля при поступлении в камеру сгорания ТМ 25, что приведет к восстановлению нарушенного теплового и механического баланса мощностей. Поэтому в таких условиях для ТДВСМ предпочтительна совместная работа с гидромеханическими трансмиссиями, которые способны защитить поршневые лопасти 65, 66 и роторные колеса 63 и 64 ТПР 21 от разрушительных высокотемпературных воздействий. Если центральное роторное колесо 63 и его вал 4 отбора мощности соединен с гидромеханической трансмиссией, то колесо 63 не остановится, а будет вращаться, и циклическое температурное воздействие на поршневые лопасти 65 и 66 роторных колес 63 и 64 будет уменьшено. Циклические температурные воздействия на поршневые лопасти 65 и 66 роторных колес 63 и 64 уменьшены и выгодно отличают по тепловым напряжениям ТДВСМ от ГТД и ДВС.
В режиме торможения двигателем в ТДВСМ механизмом управления 82 двигателя уменьшается подача топлива частично или даже полностью. При полном перекрытии подачи топлива и воздуха вращение ТПР 21 в МР3 будет осуществляться по инерции под действием массы транспортного средства. Кинетическая энергия транспортного средства трансформируется в кинетическую энергию вращения вала 4 и валов 15, которые заблокированы обгонными муфтами 68 при опережающем вращении вала 4 отбора мощности. Кинетическая энергия вращения через групповой привод механической передачи, (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, а также РНО 8, РНВ 9, РНМ 10, РНТ 11 и генератор 13 преобразуется в потенциальную энергию подаваемых компонентов топливной смеси и электрическую энергию генераторов 13. Созданное в РИВ 27 избыточное давление сжатого воздуха стравливается в магистраль расширения (на фиг.1...8 не показаны) и в ГРМ 26 через воздушный предохранительный клапан 127, установленный в корпусной оболочке 86 ТМ 25. Сжатый воздух выпускается через обратные клапаны 110 ГРМ 26, камеру сгорания и комбинированное расширительное сопло 24 ТМ 25, сопрягающее отверстие 23 и ТПР 21 в окружающую среду. Избыточные жидкие компоненты в магистралях сжатия перекачиваются через перепускные клапаны (на фиг.1...8 не показаны), причем окислитель и охладитель частично удаляются через жиклеры 102 и жиклеры парогенератора 100 в магистраль расширения. Таким образом, в режиме полного или частичного торможения двигателем кинетическая энергия транспортного средства полностью или частично затрачивается на собственные потребности двигателя через его внутренние потери.
Поставленные цели и задачи, решаемые данным изобретением, заключались в повышении к.п.д, ТДВСМ с расширением его функциональных возможностей. Решение изобретения достигнуто введением в ТДВСМ функциональных модулей МС, МР и ТМ с формированием локализованных индивидуальных магистралей сжатия и расширения, выполненных с каскадом разнообразных монтажно-теплообменных отсеков при конструктивных и технологических изменениях усовершенствованных функциональных систем ТД для реализации рабочего цикла ТДВСМ. В ТДВСМ каждый ТМ, разделяющий магистрали сжатия и расширения в МР, обеспечивает внутренний и внешний подвод теплоты. При этом ГРМ ТМ завершает формирование теплообменной камеры сгорания, выполненной с комбинированным расширительным соплом, совмещенным с парогенератором для осуществления бинарного рабочего цикла ТД. Рабочий цикл ТДВСМ реализует одновременно последовательность осуществления термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, превращает химическую энергию топливной смеси в тепловую энергию, преобразуемую в энергию деформации и кинетическую энергию рабочих тел, частично воплощаемую в кинетическую энергию вращения валов и механическую работу. В рабочем цикле ТДВСМ преобладают вращательные движения и отсутствуют характерные для ДВС возвратно-поступательных перемещения элементов конструкции, оказывающие существенное влияние на работу ТД. Рабочий цикл ТДВСМ, самоприспосабливающийся к изменению внешней нагрузки, отличается в процессе сжатия самоустанавливающимся внутренним смесеобразованием, совмещает процесс внутреннего и внешнего подвода теплоты в ТМ при самонастраивающемся внутреннем тепловыделении и реализует процесс расширения бинарных рабочих тел с более полным превращением в механическую работу. При этом топливные компоненты сжимаются и перегреваются в замкнутых объемах каскада монтажно-теплообменных отсеков индивидуальных магистралей сжатия, утилизируя одновременно тепловые потери двигателя. В ТМ совмещается дополнительный подвод теплоты с процессом сжатия и завершается окончательная подготовка компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию в камере сгорания. Формирование топливного заряда в камере сгорания осуществляется ГРМ самостоятельно под собственным давлением компонентов топливной смеси, в том числе с использованием явления фазового перехода первого рода. При этом жидкое топливо в виде газообразного потока, образовавшегося при перегреве в замкнутом объеме, поступает в камеру сгорания и перемешивается с ионизированным сжатым воздухом. Внутреннее смесеобразование и самовоспламенение топливного заряда практически не зависит от нагрузки вала отбора мощности. Самоприспосабливающийся к изменению внешней нагрузки ТДВСМ создает и постоянно пополняет запасы предварительно подготовленных топливных компонентов, поступающих под давлением в камеру сгорания, восстанавливая нарушенный тепловой и механический баланс ТД.
Совместной и взаимосвязанной работой всех функциональных модулей осуществляется положительное самовыравнивание и обеспечивается устойчивая работа ТДВСМ. При необходимости топливная смесь пересекается основным и дополнительным парообразным потоком окислителя, который, независимо от участия или неучастия в реакциях окисления топлива, способствует увеличению массы топливного заряда и импульса сил расширяющегося и ускоренно истекающего газового потока, одновременно снижая температурные воздействия на элементы конструкции двигателя. Самонастраивающийся цикл внутреннего подвода теплоты в камере сгорания устанавливается плавающим поршнем ГРМ по тепловому и механическому балансу ТД, при этом бинарный рабочий цикл, совмещая термодинамический цикл с паротурбинным циклом, осуществляется сочетанием термодинамического цикла внутреннего подвода теплоты при постоянном давлении или смешанного или при постоянном объеме. Известные силовые энергетические установки ГТУ и ПГУ реализуют бинарный цикл, совмещая обычный газовый термодинамический цикл при постоянном давлении с паротурбинным циклом, но отличаются большими габаритами и разнесенными устройствами процессов расширения. В ТДВСМ применен ТПР, объединяющий механизмы объемных и лопаточных устройств. ТПР реализует процесс расширения рабочих тел в механическую работу, обеспечивает в первую очередь собственные потребности ТД, распределяя и перераспределяя механическую работу на внутреннюю и внешнюю нагрузку. Существенное отличие от любой турбины позволяет ТПР использовать энергию больших давлений рабочих тел в малых герметичных объемах расширения, а затем и малых давлений рабочих тел в больших негерметичных объемах расширения, совмещая термодинамический газовый цикл расширения с паротурбинным циклом. Предложенный способ работы ТДВСМ с пространственно-временным разделением энергетических потоков в узловых точках и подготовкой компонентов топливной смеси к самоустанавливающемуся внутреннему смесеобразованию обеспечивает необходимое формирование топливного заряда и оптимальное превращение его химической энергии в механическую работу. Интенсивное тепловыделение частично компенсируется теплообменными процессами в процессе преобразования тепловой энергии в механическую работу и при сокращении внутренних тепловых и механических потерь повышает к.п.д. и обеспечивает топливную экономичность ТДВСМ, в том числе и при отдельном подключении его функциональных модулей. Модули сжатия обеспечивают дублированное снабжение тепловых модулей компонентами топливной смеси, что повышает надежность и безотказность работы теплового двигателя. Различными вариантами подключения модулей сжатия и (или) их тепловых модулей в тепловом двигателе может выбираться оптимальная мощность для преодоления внешней нагрузки с минимальными топливными затратами.
В ТДВСМ реализованы известные тенденции дальнейшего совершенствования ТД на основе анализа работы ДВС, ГТД, РПД и КДВС. Реализация поставленных задач выполнена при пересмотре работы функциональных систем двигателя в процессе осуществления рабочего цикла согласно рекомендациям технической литературы, используемой при работе над изобретением.
Источники информации
1. Двигатели внутреннего сгорания. Под редакцией проф. А.С.Орлина, Москва, Машиностроение: т.1 Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей 1970; т.2 Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей 1971; т.3 Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей 1972; т.4 Системы поршневых и комбинированных двигателей 1973.
2. Теплотехника. Под общей редакцией д.т.н. проф. В.И.Крутова, Москва, Машиностроение, 1986. Стр. 6-72, 79-138, 139-148, 178-211, 220-255, 256-279.
3. Теплотехника. Под общей редакцией И.Н.Сушкина, Москва, Металлургия, 1973. Стр. 11-258, 331-385, 414-445,
4. Молекулярная физика. Р.В. Телеснин, Москва, Высшая школа, 1973. Стр. 284-304.
5.* Краткий справочник по физике. А.С.Енохович, Москва, Высшая школа, 1976.
6.* Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф, Москва, Наука, 1981.
7. Политехнический словарь, Главный редактор И.И.Артоболевский, Москва, Советская энциклопедия, 1977. Стр. 132, 222, 260, 382, 429, 430, 442, 443, 492 и т.п. (использовался для правильной терминологической формулировки излагаемого в описании изобретения материала).
8. Автомобильные и тракторные двигатели. Под редакцией проф. И.М.Ленина, Москва, Высшая школа, 1976. Стр. 4-6, 9-24, 72-95, 110-117, 118-128, 129-133, 146-150, 150-182, 182-188, 189-197, 197-205,206-212.
9. Основы термодинамики и теплопередачи. Фабрикант. Москва. Оборонгиз, 1963.
10. Автомобильные двигатели. Под редакцией д.т.н. М.С.Ховака, Москва, Машиностроение, 1977. Стр. 253-259.
11.* Краткий справочник по химии. Под общей редакцией член-корреспондента АН УССР О.Д.Куриленко, Наукова думка, Киев, 1974.
* Справочники (5), (6) и (11) применялись для определения физико-технических параметров, физико-химических характеристик различных веществ, значений физических постоянных величин, используемых в технике при выполнении необходимых расчетов. Эти данные использовались для сравнительного анализа при работе над изобретением и показывают реальную возможность осуществления предлагаемого проекта. Значения параметров в описании не приводятся из-за очень большого объема информации и теоретических расчетов.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к тепловым двигателям внутреннего сгорания с выходным валом отбора мощности. Изобретение позволяет повысить КПД теплового двигателя. В способе работы теплового двигателя внутреннего сгорания дублируют работу раздельных индивидуальных функциональных систем сжатия, подвода теплоты и расширения, соединенных между собой как последовательно, так и параллельно при осуществлении термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, разделяют механическую работу на собственные потребности теплового двигателя и на преодоление внешней нагрузки. При работе утилизируют тепловые потери двигателя компонентами топливной смеси. В бинарном рабочем цикле теплового двигателя применяют основные и дополнительные компоненты топливной смеси, которые подают в процессе сжатия насосами и компрессорами по магистралям функциональных систем двигателя через последовательный ряд обратных клапанов в теплообменные отсеки, где запасают компоненты топливной смеси и подготавливают теплообменными процессами к внутреннему смесеобразованию. Упреждают процесс подвода теплоты в газораспределительном механизме камеры сгорания, совмещают его с завершением процесса сжатия и интенсифицируют процесс гомогенизации топливной смеси. Завершают процесс сжатия внутренним смесеобразованием с образованием топливного заряда в камере сгорания. В процессе подвода теплоты внутреннего сгорания в камере сгорания дублируют воспламенение и поддерживают горение топливной смеси. В камере сгорания с комбинированным расширительным соплом подводят теплоту внешнего сгорания и постепенно нагревают воду, применяемую в незамкнутой системе охлаждения двигателя, совмещают процесс расширения рабочих тел с процессом подвода внешней теплоты и превращают в парогенераторе нагретую воду в перегретый пар. Создают комбинированный бинарный парогазовый поток, тангенциально направленный суммарный импульс сил которого воздействует на трехвальный поршневой ротор, где преобразуют в механическую работу бинарный цикл больших давлений рабочих тел в малых герметичных объемах расширения и малые давления рабочих тел в больших негерметичных объемах расширения. Образуют самонастраивающийся комбинированный бинарный рабочий цикл двигателя, в котором осуществляют как внутренний, так и внешний подвод теплоты. Обеспечивают в автоматическом режиме устойчивую работу теплового двигателя, самоприспосабливающегося к изменению внешней нагрузки с самоустанавливающимся перераспределением установленного смесеобразования в диапазоне внешних скоростных характеристик двигателя. В системе управления "человек-машина" ручным режимом работы изменяют установленное смесеобразование и обеспечивают тепловыделение в камере сгорания, по усмотрению человека. Способ осуществляется в тепловом двигателе внутреннего сгорания. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.
| US 3757515 А, 11.09.1973 | |||
| РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СПОСОБЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) | 1997 |
|
RU2146008C1 |
| РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2001 |
|
RU2209323C1 |
| РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1999 |
|
RU2163678C1 |
| US 4359980 A, 23.11.1982. | |||
