ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С БЕСКЛАПАННЫМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК F02G1/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к энергетике, а именно к тепловым двигателям объемного вытеснения с внешним и внутренним подводом (регенерацией) теплоты.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известно устройство, принятое за прототип: «Револьверный двигатель с подводом теплоты» (заявка на изобретение RU 2013119931, опубл. 27.11.2014 г.), содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками, имеющими выемки на части боковой поверхности, формирующими вытеснительные полости, связанные с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра.

При всей своей привлекательности это устройство имеет недостатки, обусловленные наличием сложного распределительного механизма, включающего сложный привод для синхронного вращения большого количества цилиндрических золотников с вытеснительными полостями, а также наличием большого количества поверхностей трения и мест уплотнения у составляющих элементов, снижающих надежность и моторесурс.

Из уровня техники известен (заявка на изобретение RU 2013115083, опубл. 10.10.2014 г.) имплазный способ работы тепловой машины и реализующее этот способ устройство, содержащее вытеснительную секцию (полость) и взаимно связанную с ней газоходом тепломеханическую энергопреобразующую секцию, включающую рабочий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру объемного вытеснения рабочего газа с возможностью регенерации теплоты внутренней поверхностью и с возможностью ее заполнения рабочим газом через газоход, а также средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа и завихритель рабочего газа, образованный конструкционной направленностью газохода при входе в рабочую камеру.

К недостаткам этого устройства следует отнести низкую механическую мощность по причине низкого теплового эквивалента плазмообразующей энергии активации, преобразуемой в механическую энергию, а также отсутствие специальных средств для внешнего подвода и отвода теплоты (нагревателя и холодильника) и газораспределительного механизма.

Из уровня техники известно устройство: «Аэродинамический клапан для камеры пульсирующего горения» (SU 459612, опубл. 05.02.1975 г.), где использовано соединение коаксиальных цилиндрических камер (полостей) газоходными каналами с тангенциальной направленностью, реализующими эффект аэродинамического клапана (газораспределителя), определенные особенности которого применены для решения задач настоящего изобретения.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является расширение арсенала тепловых двигателей с упрощенным газораспределительным механизмом и наделение их функциональностью внешнего и внутреннего подвода (регенерации) теплоты с улучшенной эффективностью.

Решение задачи упрощения газораспределительного механизма обеспечивается тем, что в тепловом двигателе с вихревым газораспределением, содержащем цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, заполненную рабочим газом, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник, вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой как минимум одним газоходным каналом-соплом, завихритель рабочего газа в рабочей камере, образованный конструкционной направленностью газоходного канала-сопла при входе в рабочую камеру, и газораспределительный механизм, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, вытеснительная полость расположена в теле обечайки цилиндра между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра, согласно изобретению вытеснительная полость выполнена в виде радиально-осевой цилиндрической выемки (пустотелой обечайки), а газораспределительный механизм выполнен в виде завихрителя рабочего газа в вытеснительной полости образованного конструкционной тангенциальной направленностью газоходного канала-сопла при входе в вытеснительную полость.

Общеизвестно, что для работы теплового двигателя (тепловой машины) при сжатии и расширении рабочего газа необходимо обеспечить его взаимодействие с двумя внешними разнотемпературными источниками теплоты, т.е. с низкотемпературным источником, в который «сбрасывается» (посредством холодильника) теплота сжатия, и с высокотемпературным источником, от которого поступает (посредством нагревателя) при расширении теплота, преобразуемая в механическую работу.

В прототипе взаимодействие обеспечивается мультизолотниковым распределителем (с вытеснительными полостями), при сжатии и расширении рабочего газа попеременно соединяющим вытеснительные полости (рабочий газ) с холодильником или с нагревателем.

В настоящем изобретении рабочий газ при сжатии в рабочей камере вытесняется из нее в вытеснительную полость, через как минимум один тангенциальный газоходный канал-сопло, где, закручиваясь в вихрь, прижимается к поверхности внешней стенки вытеснительной полости, образованной наружной рубашкой цилиндра (холодильником), и, ометая ее, взаимодействует со средством отвода теплоты - холодильником, отдавая ему теплоту сжатия. При этом (в силу того что вектор скорости кругового движения рабочего газа направлен к поверхности внешней стенки вытеснительной полости) взаимодействие газового вихря с поверхностью внутренней стенки вытеснительной полости, образованной внутренней рубашкой цилиндра (нагревателем), - намного слабее, а значит - не является определяющим. Вытеснительная полость при сжатии рабочего газа выполняет в итоге функцию камеры отвода теплоты (сжатия).

При завершении такта сжатия и вытеснения рабочего газа из рабочей камеры вихревое движение рабочего газа в вытеснительной полости также прекращается.

При расширении рабочего газа в рабочей камере газ возвращается из вытеснительной полости в рабочую камеру через газоходный канал-сопло и за счет его конструкционной направленности при входе в рабочую камеру - рабочий газ закручивается в другой («противоположный») вихрь, при этом «прижимается» к внутренней поверхности цилиндрической стенки рабочей камеры, являющейся внутренней рубашкой цилиндра (нагревателем), и, ометая ее, взаимодействует со средством подвода теплоты - нагревателем, отбирая у него теплоту при расширении рабочего газа за счет увеличивающегося объема надпоршневого пространства с производством полезной работы по перемещению поршня.

При истекании сжатого рабочего газа из вытеснительной полости за счет его расширения в рабочей камере теплота отбирается и в вытеснительной полости от стенок, одна из которых является холодильником, а другая - нагревателем, при этом величина теплопереноса к рабочему газу от стенки зависит от разности их температур. В силу того что температура нагревателя выше температуры холодильника, при расширении рабочего газа отбор теплоты от нагревателя в вытеснительной полости - является определяющим. В итоге - вытеснительная полость и рабочая камера, имея общую смежную стенку, внутреннюю рубашку цилиндра, являющуюся нагревателем, при расширении рабочего газа выполняют в совокупности функцию камеры подвода теплоты (расширения).

Так применение конструкционной направленности газоходных каналов (соединяющих рабочую камеру и вытеснительную полость) как при входе в рабочую камеру, так и при входе в вытеснительную полость, размещенную в теле обечайки цилиндра и выполненную в виде пустотелой «щелеобразной» цилиндрической обечайки за счет формирования разнонаправленных вихрей рабочего газа и управления их прекращением и трансформацией (о чем будет сказано ниже) позволяет значительно упростить распределительный механизм, исключив вращающиеся трущиеся уплотняемые золотниковые распределительные элементы и заменив их вихревым газораспределением.

Решение задачи улучшения эффективности двигателя и его функциональности в виде внешнего и внутреннего подвода (регенерации) теплоты обеспечивается тем, что двигатель, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, заполненную плазмообразующим рабочим газом, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник, вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой как минимум одним газоходным каналом-соплом, завихритель рабочего газа в рабочей камере, образованный конструкционной направленностью газоходного канала-сопла при входе в рабочую камеру, и газораспределительный механизм, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, вытеснительная полость расположена в теле обечайки цилиндра между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра и выполнена в виде радиально-осевой цилиндрической выемки (пустотелой обечайки), а газораспределительный механизм выполнен в виде завихрителя рабочего газа в вытеснительной полости образованного конструкционной тангенциальной направленностью газоходного канала-сопла при входе в вытеснительную полость, согласно изобретению дополнительно содержит средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа в рабочей камере, функционально преобразующий рабочую камеру в рабочую плазменно-вихревую камеру с возможностью осуществления внутреннего замкнутого цикла «активной» регенерации теплоты сжатия.

Наличие нагревателя, холодильника, вытеснительной полости и рабочей плазменно-вихревой камеры, связанных газоходным каналом-соплом, а также распределительного механизма позволяет двигателю вырабатывать механическую энергию за счет внешнего подвода теплоты посредством нагревателя и сброса «отработанной» теплоты сжатия в холодильник. Наличие же активатора позволяет подводить внутрь рабочей плазменно-вихревой камеры плазмообразующую энергию активации рабочего газа и также преобразовывать ее в механическую энергию (в объеме ее «теплового эквивалента»), реализуя, по сути, внутренний подвод теплоты к двигателю.

В процессе работы двигателя осуществляется еще и внутренний замкнутый цикл «активной» регенерация теплоты сжатия, реализуемый следующим имплазным способом. В рабочей плазменно-вихревой камере циклически: рабочий газ подвергают объемному сжатию и расширению, активации и релаксации, при этом активацию рабочего газа осуществляют посредством временного и пространственного процесса принудительной объемной диссоциации рабочего газа от воздействия плазмообразующей энергией активации с возможностью получения внутри объема рабочей камеры продуктов диссоциации, являющихся средством внутреннего отвода теплоты - регенеративным холодильником, поглощающих теплоту от рабочего газа включая теплоту сжатия, которые перемещают к стенкам рабочей камеры до контакта с ними, а в процессе контактирования со стенками камеры продукты диссоциации подвергают релаксации из неравновесного неустойчивого состояния активации посредством их саморекомбинации с выделением рекомбинационной теплоты на внутренней регенерирующей поверхности стенок камеры, являющейся регенеративным нагревателем - средством внутреннего подвода к рабочему газу теплоты, используемой затем для нагревания рабочего газа при расширении. При этом функцию переноса продуктов диссоциации осуществляют благодаря пристеночному завихрению рабочего газа в рабочей плазменно-вихревой камере (посредством завихрителя) с образованием трансформацией из пристеночного вихревого потока внутреннего осевого потока рабочего газа (направленного от поршня к головке цилиндра), в котором и осуществляют получение и перенос продуктов диссоциации. Описанный процесс есть не что иное как реализация внутреннего замкнутого цикла «активной» регенерации теплоты сжатия - нечто подобное процессам регенерации теплоты в двигателях Стирлинга, где в отличие от «активной» регенерации осуществляется внутренний замкнутый цикл «пассивной» регенерации теплоты посредством регенератора.

При осуществлении в настоящем изобретении внутреннего замкнутого цикла «активной» регенерации теплоты сжатия резко уменьшается работа на сжатие рабочего газа, что ведет к существенному увеличению КПД теплового двигателя и его мощности.

Перечень фигур чертежей

Вышеуказанные и иные аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном его описании, приводимом со ссылками на чертежи, на которых изображены:

На Фиг. 1 представлен общий вид теплового двигателя в продольном сечении MON; на Фиг. 2 - части поперечных сечений Р-Р, Q-Q и вида L на Фиг. 1.

Двигатель содержит цилиндр, внутренней рубашкой которого является нагреватель 1, конструктивно объединенный с головкой 2, и поршень 3, образующие рабочую (рабочую плазменно-вихревую) камеру 4, холодильник 5, являющийся внешней рубашкой цилиндра, газоходные каналы-сопла 6 входа в рабочую камеру, вытеснительную полость 7 с тангенциальными газоходными каналами-соплами 8 входа в вытеснительную полость (осуществляющими функцию вихревого газораспределителя).

Тепловой двигатель с вихревым газораспределением работает следующим образом.

При движении поршня 3 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит объемное вытеснение рабочего газа из рабочей камеры 4 по газоходному каналу-соплу 6 и каналу-соплу 8 в вытеснительную полость 7 и сжатие рабочего газа с отводом теплоты (охлаждением) в вытеснительной полости 7 к холодному источнику, выполненному в виде средства отвода теплоты - холодильника 5, за счет его вихревого ометания рабочим газом. Вытеснительная полость 7 выполняет роль камеры отвода теплоты (сжатия). При завершении такта сжатия в результате трения о стенку вихревое движение рабочего газа в вытеснительной полости замедляется и прекращается.

При движении в рабочей камере 4 поршня 3 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) в вытеснительной полости 7 происходит подвод теплоты к рабочему газу от горячего источника, выполненного в виде средства подвода теплоты - нагревателя 1, перемещение газа по газоходному каналу-соплу 8 и газоходному каналу-соплу 6 в рабочую камеру 4 и расширение рабочего газа в рабочей камере 4 с отбором теплоты в том числе и от нагревателя 1 со стороны рабочей камеры с совершением работы по перемещению поршня 3. Вытеснительная полость 7 и рабочая камера 4 в совокупности выполняют роль камеры подвода теплоты (расширения). В этом такте рабочий газ при расширении отбирает теплоту и от поверхности головки 2 изнутри рабочей камеры.

Второй вариант теплового двигателя согласно изобретению дополнительно содержит средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа 9.

В этом варианте работа двигателя происходит следующим образом.

При движении в рабочей плазменно-вихревой камере 4 поршня 3 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) рабочий газ, предварительно сжатый в предыдущем такте, из вытеснительной полости возвращается в рабочую плазменно-вихревую камеру через газоходный канал-сопло 8 и газоходный канал-сопло 6 и за счет направленности последнего закручивается в вихрь, ометая изнутри нагреватель 1 и отбирая от него теплоту при расширении в надпоршневом пространстве, а также снаружи - в вытеснительной полости 7 с совершением полезной работы. При замедлении движения поршня после прохождения им среднего положения и остановке в НМТ пристеночный вихрь внутри рабочей плазменно-вихревой камеры трансформируется в возвратный узкий осевой поток рабочего газа, направленный от поршня к головке цилиндра. С момента нахождения поршня в районе НМТ и формирования возвратного узкого осевого потока рабочего газа в рабочую плазменно-вихревую камеру подается через активатор 9 плазмообразующая энергия, осуществляющая в пространстве объема осевого потока принудительную активацию (диссоциацию/ионизацию) рабочего газа с получением продуктов диссоциации, поглощающих теплоту от рабочего газа, включая теплоту сжатия, при сжатии газа в такте сжатия. Продукты диссоциации в этом такте (такте сжатия) доставляются потоком к головке 2 и прилегающим стенкам цилиндра (внутренней рубашке - нагревателю), где при контакте с поверхностью происходит саморекомбинация продуктов диссоциации с выделением на этой поверхности ранее поглощенной (при диссоциации/ионизации) рекомбинационной теплоты и получением исходного (или другого синтезированного) рабочего газа, который вытесняется в вытеснительную полость 7, где, закручиваясь в вихрь, отдает оставшуюся теплоту сжатия ометаемому холодильнику 5. При подходе поршня к ВМТ подача энергии активации может быть прекращена. Цикл замыкается в ВМТ. Таким образом, нагреватель 1 передает рабочему газу при расширении как внешнюю (подведенную из вне) теплоту, а также (поступающую из вне) плазмообразующую энергию активации в виде тепловой энергии (как результат ее трансформации внутри рабочей плазменно-вихревой камеры при диссоциации-рекомбинации) в объеме ее теплового эквивалента, вдобавок выполняя функцию внутреннего регенеративного (восстанавливающегося, возвратного) нагревателя рабочего газа регенеративной теплотой сжатия при осуществлении замкнутого цикла внутренней «активной» регенерации теплоты сжатия рабочего газа посредством диссоциации-рекомбинации газа.

В тепловом двигателе внутренняя рубашка цилиндра, каковой является нагреватель 1, и коаксиально посаженная на нее внешняя рубашка цилиндра, каковой является холодильник 5, в местах сопряжений согласно изобретению могут быть разделены теплоизолятором 10, что термически разграничивает нагреватель от холодильника, уменьшая перетоки теплоты, при этом увеличивая КПД.

В тепловом двигателе определяющий линейный размер «а» радиальной ширины кольца основания цилиндрической выемки, формирующей вытеснительную полость (размер половины разности диаметров окружностей, которые являются направляющими цилиндрических поверхностей вытеснительной полости - пустотелой обечайки), много меньше длины - определяющего осевого (продольного) размера «b» выемки, при этом объем вытеснительной полости меньше объема рабочей (рабочей плазменно-вихревой) камеры.

В тепловом двигателе газоходные каналы-сопла 6 и 8, соединяющие рабочую (рабочую плазменно-вихревую) камеру 4 с вытеснительной полостью 7, согласно изобретению проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра (нагревателя 1) в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра, что уменьшает мертвый объем рабочей (рабочей плазменно-вихревой) камеры 4, увеличивая удельную мощность.

В тепловом двигателе газоходные каналы-сопла 6 имеют тангенциальное, или нормальное, направление входа в рабочую (рабочую плазменно-вихревую) камеру 4, что способствует улучшению теплообмена за счет вихревого ометания внутренней поверхности нагревателя 1, а также способствует полезному снижению температуры в зоне трения юбки поршня 3 о стенку цилиндра.

В тепловом двигателе согласно изобретению головка 2 и внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 дополнительно образуют смежную через головку 2 с рабочей (рабочей плазменно-вихревой) камерой 4 камеру 11 сгорания и/или теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки 12 топливной горючей смеси и/или размещения теплоаккумулирующего вещества.

В тепловом двигателе с подводом теплоты согласно изобретению камера 11 сгорания имеет примыкающие к головке 2 и к стенке внутренней рубашки цилиндра - нагревателю 1, теплообменные ребра 13 (с целью увеличения теплопередачи от горелки 12 к нагревателю 1).

В тепловом двигателе, согласно изобретению, в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления 14 для измерения и контроля на их дне температуры нагревателя с помощью сетки контактных термодатчиков 15 (во избежание местных перегревов, так называемых «красных пятен», и «прогара» материала нагревателя).

В тепловом двигателе согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1, через головку 2 соединена с тепловой трубой 16 (для внешнего подвода к нагревателю 1 концентрированной лучистой энергии солнца либо высокоплотной высокотемпературной тепловой энергии: ядерных реакторов - ЯР, радионуклидных тепловыделяющих элементов - ТВЭЛов, радиоизотопных источников теплоты - РИТ).

В тепловом двигателе согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1, и головка 2 соединены с теплоэлектронагревателем (ТЭН) 17 для внешнего подвода теплоты к нагревателю посредством электрической энергии (в том числе с нестабильными формой, напряжением и частотой).

В тепловом двигателе согласно изобретению камера сгорания нагревателя частично или полностью заполнена теплоаккумулятором 18 - легкоплавким теплоаккумулирующим веществом, например расплавом солей или металлов (эвтектикой), для терморегулирования и термостабилизации, а также возможного теплопитания двигателя расплавом из специального резервуара-хранилища расплава.

В тепловом двигателе согласно изобретению головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени 19 (для увеличения поверхности теплообмена головки 2).

В тепловом двигателе согласно изобретению цилиндрическая выемка, формирующая вытеснительную полость 7, на противоположных по оси концах имеет сплошные проточки 20 увеличения концевых объемов вытеснительной полости 7.

В двигателе в качестве рабочего газа используется моногаз или смесь газов.

В тепловом двигателе согласно изобретению в качестве рабочего газа наилучшим образом может быть использован метан и/или смесь углеводородных и/или углеродсодержащих газов, т.е. газов, используемых в том числе для приготовления горючей топливной смеси сжигаемой в камере сгорания или специально разработанных рабочих тел (газов).

Для наполнения рабочей камеры двигателя рабочим газом из резервуара-хранилища рабочего газа используется впускной вентиль 21 и впускной обратный клапан 22.

Для вытеснения рабочего газа в резервуар-хранилище (при длительных перерывах в работе двигателя) используется выпускной вентиль 23 и выпускной обратный клапан 24.

Средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа - может быть выполнен в виде свечи зажигания 9 или контейнера-пушки 25 с радиоактивным веществом 26, осуществляющим однонаправленное непрерывное ионизирующее излучение.

Средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа - может быть размещен в головке 2 цилиндра рабочей плазменно-вихревой камеры и/или в поршне 3 рабочей плазменно-вихревой камеры.

Внутренняя и внешняя рубашки цилиндра (нагреватель 1 и холодильник 5) могут быть выполнены одновременной отливкой (в сборке: либо через теплоизолятор, либо единым телом) с целью упрощения технологии изготовления цилиндра и его обработки.

Для работы тепловых двигателей с подводом теплоты с целью получения максимальной мощности рекомендуется применение «легких» газов, молекулы которых имеют наименьшее количество степеней свободы (водород и/или гелий).

Так, при использовании метана и/или смеси углеводородных газов в процессе «наработки» двигателя (от диссоциации) будет постоянно вырабатываться водород.

При этом во избежание закоксовывания компрессионных колец, поверхности головки, стенок рабочего цилиндра и днища поршня нежелательным, в данном случае, «побочным» твердым устойчивым продуктом диссоциации метана - катионами атомарного углерода и «сажи» - двигатель согласно изобретению дополнительно содержит углеродную ловушку атомарного углерода 27, размещенную внутри рабочей плазменно-вихревой камеры 4, заполненной метаном и/или смесью углеводородных и/или смесью углеродсодержащих газов. Как вариант, углеродная ловушка атомарного углерода может быть размещена на активаторе рабочего газа 9 (например, на центральном электроде электроразрядной/дуговой свечи зажигания). Углеродная ловушка атомарного углерода может быть выполнена в виде «затравки» кристаллического углерода с возможностью ее роста по мере улавливания и осаждения продуктов диссоциации в твердой фазе. Исходным материалом для «затравки» может служить углерод с заданной структурой кристаллической решетки (графит, фуллерен, нанотрубка и пр.). Для интенсификации улавливания положительно заряженных катионов углерода может быть применено следующее техническое решение: углеродная ловушка атомарного углерода имеет электропроводную связь с отрицательным потенциалом источника электродвижущей силы, при этом внутренняя поверхность рабочей камеры имеет электропроводную связь с его положительным потенциалом, т.е. на углеродную ловушку атомарного углерода может быть подан (в т.ч. через электроды свечи зажигания) отрицательный потенциал постоянного напряжения (например, того же «сварочного напряжения» от источника тока «дугового» разряда, который может быть использован как источник плазмообразующей энергии), а на металлический корпус рабочего цилиндра - положительный.

Углеродная ловушка атомарного углерода может быть выполнена с возможностью эвакуации осажденных продуктов диссоциации в твердой фазе за пределы рабочей плазменно-вихревой камеры, ибо при «вырастании» до предела в процессе эксплуатации устройства «выросшая» затравка подлежит периодической замене (что возможно и удобно производить вместе с заменой свечи зажигания) и может быть использована для других нужд (например, в наноиндустрии).

Для осуществления принудительной диссоциации той или иной разновидности используемого рабочего газа может быть выбран другой вид энергии воздействия, а соответственно и свеча зажигания. Так свеча зажигания может быть калильной с электротермическим нагревом вольфрамовых нити и заостренного стержня («раскаленной» проволоки), либо свеча зажигания может быть выполнена в виде лазерного излучателя, генерирующего мощный световой поток внутрь рабочей камеры. В качестве плазмообразующей энергии для диссоциации может быть использовано электромагнитное СВЧ-излучение, при этом свеча зажигания может быть выполнена в виде штыревого зонда-возбудителя. При использовании радиоактивного воздействия в целях диссоциации активатор рабочего газа, как уже было сказано выше, может быть выполнен автономным: в виде контейнера-пушки 25 с радиоактивным веществом 26, осуществляющим длительное однонаправленное непрерывное ионизирующее излучение.

Техническим результатом изобретения является упрощение газораспределительного механизма, увеличение удельной мощности двигателя, повышение КПД, надежности и моторесурса.

Изобретение относится к энергетике. Техническим результатом является повышение эффективности. Сущность изобретения заключается в том, что тепловой двигатель содержит цилиндр с головкой и поршнем, нагреватель, холодильник, вытеснительную полость и газораспределительный механизм. Головка и поршень образуют рабочую камеру, связанную с вытеснительной полостью газоходным каналом-соплом. Газоходный канал-сопло при входе в рабочую камеру образует завихритель газа. Нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра. Холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра. Вытеснительная полость расположена в теле обечайки цилиндра между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра. Газораспределительный механизм выполнен в виде завихрителя рабочего газа, образованного тангенциальной направленностью газоходного канала-сопла при входе в вытеснительную полость. Тепловой двигатель с бесклапанным газораспределением дополнительно содержит активатор - средство подвода плазмообразующей энергии активации рабочего газа в рабочей камере, который позволяет осуществлять замкнутый внутренний цикл «активной» регенерации теплоты сжатия. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, заполненную рабочим газом, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник, вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой как минимум одним газоходным каналом-соплом, завихритель рабочего газа в рабочей камере, образованный конструкционной направленностью газоходного канала-сопла при входе в рабочую камеру, и газораспределительный механизм, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, вытеснительная полость расположена в теле обечайки цилиндра между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра, отличающийся тем, что вытеснительная полость образована выемкой в виде пустотелой обечайки, а газораспределительный механизм выполнен в виде завихрителя рабочего газа в вытеснительной полости образованного конструкционной тангенциальной направленностью газоходного канала-сопла при входе в вытеснительную полость.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра и внешняя рубашка цилиндра в местах сопряжений разделены теплоизолятором.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что газоходные каналы-сопла, соединяющие вытеснительную полость с рабочей камерой, проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка и внутренняя рубашка цилиндра дополнительно образуют смежную через головку с рабочей камерой камеру сгорания и/или теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки топливной горючей смеси и/или размещения теплоаккумулирующего вещества.

5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что камера сгорания имеет теплообменные ребра, примыкающие к стенке внутренней рубашки и к головке, а головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени.

6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления.

7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра через головку соединена с тепловой трубой и/или с теплоэлектронагревателем.

8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что определяющий линейный размер радиальной ширины кольца основания цилиндрической выемки, формирующей вытеснительную полость, меньше длины - определяющего осевого размера выемки, при этом объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры.

9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрическая выемка, формирующая вытеснительную полость, на противоположных по оси концах имеет сплошные проточки увеличения концевых объемов вытеснительной полости.

10. Двигатель, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, заполненную плазмообразующим рабочим газом, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник, вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой как минимум одним газоходным каналом-соплом, завихритель рабочего газа в рабочей камере, образованный конструкционной направленностью газоходного канала-сопла при входе в рабочую камеру, и газораспределительный механизм, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, вытеснительная полость расположена в теле обечайки цилиндра между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра и образована выемкой в виде пустотелой обечайки, а газораспределительный механизм выполнен в виде завихрителя рабочего газа в вытеснительной полости образованного конструкционной тангенциальной направленностью газоходного канала-сопла при входе в вытеснительную полость, отличающийся тем, что дополнительно содержит средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа в рабочей камере, функционально преобразующий рабочую камеру в рабочую плазменно-вихревую камеру.

11. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра и внешняя рубашка цилиндра в местах сопряжений разделены теплоизолятором.

12. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что газоходные каналы-сопла, соединяющие рабочую плазменно-вихревую камеру с вытеснительной полостью, проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра, при этом определяющий линейный размер радиальной ширины кольца основания цилиндрической выемки, формирующей вытеснительную полость, меньше длины - определяющего осевого размера выемки, а объем вытеснительной полости меньше объема рабочей плазменно-вихревой камеры.

13. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что головка и внутренняя рубашка цилиндра дополнительно образуют смежную через головку с рабочей плазменно-вихревой камерой камеру сгорания и/или теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки топливной горючей смеси и/или размещения теплоаккумулирующего вещества, при этом камера сгорания имеет теплообменные ребра, примыкающие к стенке внутренней рубашки и к головке, а головка на внутренней поверхности имеет концентрические ступени.

14. Двигатель по п. 13, отличающийся тем, что в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления.

15. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра через головку соединена с тепловой трубой и/или с теплоэлектронагревателем.

16. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что цилиндрическая выемка, формирующая вытеснительную полость, на противоположных по оси концах имеет сплошные проточки увеличения концевых объемов вытеснительной полости.

17. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что активатор рабочего газа размещен в головке цилиндра рабочей плазменно-вихревой камеры и/или в поршне рабочей плазменно-вихревой камеры.

18. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что активатор выполнен в виде свечи зажигания или в виде контейнера-пушки с радиоактивным веществом, осуществляющим однонаправленное непрерывное ионизирующее излучение.

19. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что дополнительно содержит углеродную ловушку атомарного углерода, размещенную внутри рабочей плазменно-вихревой камеры, заполненной метаном, и/или смесью углеводородных газов, и/или смесью углеродсодержащих газов.

20. Двигатель по п. 19, отличающийся тем, что углеродная ловушка атомарного углерода выполнена в виде «затравки» кристаллического углерода с возможностью ее роста по мере улавливания и осаждения продуктов диссоциации в твердой фазе, а также с возможностью эвакуации осажденных продуктов диссоциации в твердой фазе за пределы рабочей плазменно-вихревой камеры.