ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО ГОРЕНИЯ С РЕГЕНЕРАТОРАМИ Советский патент 1928 года по МПК F02G5/00 

Предлагаемый двухтактный двигатель внутреннего горения с регенераторами теплоты, в котором часть продуктов горения постоянно остается в двигателе, снабжен расширительными цилиндрами или резервуарами для правильного движения газов в регенераторах.

На фиг. 1, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 чертежа изображены диаграммы, поясняющие работу предлагаемого двигателя, на фиг. 2 - схематический чертеж предлагаемого двухтактного двигателя и на фиг. 9 - его видоизменение.

Фиг. 1 представляет тепловую диаграмму показанного схематически на фиг. 2 двухтактного двигателя внутреннего горения с тепловым регенератором (не принято во внимание действие вредных пространств и, соответственно, влияние заряда теплового регенератора). На фиг. 1 ординаты представляют абсолютные температуры рабочего вещества, а абсциссы - величины энтропии. Буквами p₁ и p₂ обозначены изобары, соответствующие давлениям р₁ и р₂. Рабочее вещество входит в тепловой регенератор 5 (фиг. 2) на его холодной стороне с температурой холодильника Т₁ и наивысшим давлением р₂ кругового процесса. Через регенератор рабочее вещество входит в рабочий цилиндр 1, при чем рабочий поршень 4 перемещается наружу настолько, что давление в рабочем пространстве сначала остается без изменения и равным p₂. Предполагается, что горячая сторона теплового регенератора 5 имеет максимальную температуру Т₂, допустимую для материала, из которого он сделан, так что при своем прохождении через него рабочее вещество нагревается при постоянном давлении до температуры Т₂; этому изменению соответствует на фиг. 1 участок а-b изобары р₂. Заимствованное при этом из теплового регенератора тепло отмечено площадью abs₂ s₁a. После своего входа в цилиндр 1 рабочее вещество, при неизменяющемся давлении, нагревается до температуры T₃, помощью сжигаемого внутри горючего. Происходящее при этом изменение состояния соответствует участку b-с изобары Р₂. Во время конца наружного хода поршня 4 введение рабочего вещества и горючего прерывается, так что в рабочем пространстве происходит адиабатическое понижение давления по адиабате с-d до наинизшего давления р₁ кругового процесса. При надлежащем выборе температуры T₃, рабочее вещество при конце d адиабатического охлаждения достигает как раз допустимой максимальной температуры Т₂ теплового регенератора. Когда, следовательно, при обратном ходе поршня 4 в тепловой регенератор входят рабочие газы, то температура их не изменяется. Выталкивание потерявших отчасти свое давление рабочих газов происходит через тепловой регенератор при постоянном давлении p₁ по изобаре d-е, при чем рабочее вещество охлаждается до температуры Т₁ и отдает тепловому регенератору количество тепла, представляемое площадью eds₄s₃е. Так как обе изобары а-b и е-d параллельны, то площади abs₂s₁а и eds₄s₃e будут равны при наложении и, следовательно, количества тепла, отнимаемые у теплового регенератора и отдаваемые ему, между собою равны. Таким образом тепловое равновесие регенератора сохраняется. Если рабочее вещество изометрически сжимается с выпускного давления р₁ до впускного давления р₂, то круговой процесс замыкается изотермою е-а. Площадь s₂bcds₄ представляет количество тепла, вводимое путем внутреннего сжигания горючего, а площадь s₁aes₃ - количество тепла, отводимое холодильником, между тем как площадь abcdea - пропорциональна отданной работе. Величина термического коэффициента полезного действия определяется величиной отношения при чем буквою Т₄ обозначена средняя температура подводимого тепла.

Если бы теперь остающуюся в цилиндре после выталкивания часть рабочего вещества, обладающую максимальной температурой теплового регенератора, подвергнуть адиабатическому сжатию до величины впускного давления р₂, с целью заполнения вредных пространств, то температура введенного в тепловой регенератор газа, а вместе с тем и температура горячего конца регенератора, постепенно повысилась бы до Т₃, так что либо произошло бы разрушение теплового регенератора на его горячей стороне, либо пришлось бы понизить максимальную температуру Т₃ кругового процесса до Т₂ и существующую до сжатия максимальную температуру теплового регенератора с величины Т₂ до той температуры, которая получается в конце адиабатического понижения давления от начальной температуры Т₂ и начального давления р₂ до конечного давления р₁, что равносильно было бы понижение термического коэффициента полезного действия двигателя.

То количество газа, которое, во время повышения давления (от величины его при выпуске до впускного давления), служило для заполнения вредных пространств или же равное ему количество газа, во время происходящего в период расширения понижения давления, должно быть снова выведено из вредных пространств. В обычных двигателях это выведение производилось полностью в горячее рабочее пространство. При отсутствии теплового регенератора подобное выведение соответствует адиабатическому расширению заключенного во вредном пространстве количества газа от впускного давления до величины давления при выпуске. Это расширение является воспроизведением применявшегося для заполнения вредных пространств сжатия с величины давления при выпуске до впускного давления. В этом случае, следовательно, положительная и отрицательная работа, во время расширения и соответственно сжатия, взаимно компенсируются, и на термодинамический круговой процесс двигателя вредное пространство, таким образом, не оказывает никакого влияния.

Если, однако, при двигателе имеется тепловой регенератор, то выпуск заряда этого регенератора также соответствует некоторому расширению, но это расширение уже не может быть воспроизведением того изменения состояния, которое происходило до сжатия этого же заряда теплового регенератора. Означенный заряд совершает, поэтому, термодинамический круговой процесс, представляемый теперь тепловой диаграммой фиг. 3. При этом процессе также происходит отдача работы, но уже с термическим коэффициентом полезного действия значительно менее благоприятным, чем коэффициент кругового процесса заряда в собственном смысле. На фиг. 3 тонкими линиями показан термодинамический круговой процесс главного заряда, а толстыми линиями - круговой процесс заряда теплового регенератора.

Из фиг. 3 видно, что после происшедшего сжатия до максимального давления р₂, заряд теплового регенератора оказывается в различных слоях этого последнего сжатым до различных температур, в среднем же до некоторой средней температуры Т₅. Это среднее состояние заряда теплового регенератора отмечено точкою ƒ, расположенною на изобаре Р₂ в соответствующем месте упомянутой средней температуре Т₅. Во время прохождения главного заряда через тепловой регенератор заряд выталкивается в горячее рабочее пространство, но к концу периода зарядки в тепловом регенераторе остается такое же количество газа в таком же состоянии. Процесс может быть, поэтому, рассматриваем так, как если бы заряд теплового регенератора все время пребывал в своем состоянии, определяемом точкою ƒ. Расширение начинается, поэтому, в точке ƒ. В конце расширения давление заряда регенератора также понижается до p₁, так что состояние его может быть представлено какою-либо точкою, лежащею на изобаре Р₁. Во время расширения каждая частица заряда теплового регенератора выходит при максимальной температуре Т₂ этого последнего, но во время понижения давления охлаждается ниже этой температуры. Выходящая в начале расширения первая частица проделывает в цилиндре все адиабатические понижения давления с р₂ до р₁, т.-е. изменяет свое состояние вдоль линии b-g, между тем как последняя частица производит это понижение давления при соприкосновении с горячим концом теплового регенератора, т.-е. с постоянным сохранением температуры Т₂, а потому достигает давления р₁ вдоль изотермы b-g. Отдельные частицы вышедшего газа имеют, поэтому, различные температуры, соответствующие точкам от g₁ до d. Среднее состояние всей вышедшей части заряда теплового регенератора определяется точкою g с температурой Т₆ и давлением p₁. В среднем, расширение происходит, следовательно, по линии ƒ-g. Во время выталкивающего хода, находящийся теперь в горячем рабочем пространстве заряд теплового регенератора выталкивается из последнего, при остающемся постоянном давлении, по изобаре P₁, при чем газы охлаждаются в нем и затем в холодильнике до температуры T₁. Расположенная на изобаре Р₁ точка е определяет состояние в этот момент заряда теплового регенератора. Из состояния e заряд теплового регенератора снова доводится до начальной температуры Т₅ и давления р₂, достигая состояния ƒ по некоторой кривой среднего изменения состояния е-ƒ. Заряд теплового регенератора совершает замкнутый рабочий цикл eƒge с отдачей соответствующей этой тепловой площади работы. Работа происходит в этом случае за счет тепла теплового регенератора, так как во время сжатия из последнего заимствуется количество тепла eƒs₅s₃e, а во время расширения - количество тепла ƒgs₆s₅ƒ, т.-е., в общем, количество тепла eƒgs₆s₃e, между тем, как во время выталкивания тепловому регенератору возвращается только меньшее количество тепла egs₆s₃e.

Рабочий круговой процесс заряда теплового регенератора нарушает, следовательно, тепловое равновесие регенератора, и установившееся состояние в этом последнем может быть поддерживаемо только в том случае, если главный заряд перемещается сквозь тепловой регенератор во время выталкивания не с температурой Т₂, а с некоторой более высокой температурой.

Из заимствованного у теплового регенератора во время расширения количества тепла ƒgs₆s₅ возвращается только часть ƒ′gs₆s₇, - разница же s₅ƒgƒ′s₃ - окончательно, следовательно, отнимается у теплового регенератора и представляет собою то количество тепла, которое подлежит введению во время совершения кругового процесса eƒge; подведение к газу этого количества тепла происходит при средней температуре T₇. Во время выталкивания, начиная от точки ƒ′, тепловому регенератору возвращается количество тепла s₃еƒ′s₇, во время же сжатия заимствуется только количество тепла s₃eƒs₅, которое, в том случае, если e′-ƒ′ представляет собою линию, параллельную линии е-ƒ, равно площади s₈е′ƒ′s₇. Таким образом, более холодными нижними частями теплового регенератора отнимается составляющее разницу количество тепла s₃еƒ′е′s₈, которое в круговом процессе заряда теплового регенератора и представляет собою количество тепла, которое необходимо совсем отвести. Это отведение тепла происходит при средней температуре Т₈.

Так как Т₇ значительно ниже, чем T₄, а температура Т₈ выше температуры Т₁, то действительный для термодинамического кругового процесса заряда теплового регенератора термический коэффициент полезного действия значительно ниже такого же коэффициента для главного заряда. Плохой термический коэффициент полезного действия заряда теплового регенератора понижает термический коэффициент полезного действия всего двигателя в тем большей степени, чем большим оказывается заряд теплового регенератора относительно заряда двигателя.

Предлагаемое изобретение имеет целью устранение этих недостатков. Для этого выпуск заряда тепловых регенераторов во время расширения производится на их холодную сторону, а равно и впуск того же заряда во время одновременного сжатия в рабочем пространстве производится с постоянным повышением давления, также с холодной стороны тех же регенераторов.

В предлагаемом двигателе к частям рабочего цилиндра (расположенным между впускными и выпускными органами рабочего цилиндра, с одной стороны, и тепловыми регенераторами, с другой) примыкают расширительные пространства, емкость которых изменяется при помощи распределительного механизма, соответственно рабочим тактам двигателя; эти пространства, во время происходящего в рабочем цилиндре понижения давления, увеличиваются таким образом, что они воспринимают расширяющееся из вредных пространств рабочее вещество. Расширительное пространство, взаимодействующее с главным тепловым регенератором, а также камеры свежего газа, взаимодействующие со вспомогательными тепловыми регенераторами по опорожнении эффективного рабочего пространства и перед введением свежего заряда рабочего цилиндра, уменьшаются таким образом, что они сжимают на холодной стороне холодное рабочее вещество и соответственно свежие газы во время сжимающей части хода рабочего поршня до давления, соответствующего впуску свежего заряда в тепловые регенераторы.

Подача заряда тепловых регенераторов происходит, следовательно, при постоянном повышении давления, т.-е. сопряжено с устранением потери энергии. Сжатие, однако, происходит на холодной стороне, при чем заряд теплового регенератора нагнетается в последний в холодном состоянии, что, по сравнению с сжатием теплой стороны, представляет преимущество, так как при этом требуется с одной стороны, лишь уменьшенное в отношении температур компрессионное пространство, а, с другой стороны, - также и меньшая работа сжатия. Эта последняя покрывается работой, производимой зарядом теплового регенератора при выходе в расширительные пространства, так как изменяемость этих последних пространств может быть регулируема таким образом, что вход и выход заряда теплового регенератора происходит в виде равных изменений состояния. Состояния эти взаимно компенсируют друг друга, так что вход и выход заряда тепловых регенераторов не оказывает ухудшающего влияния на мощность и термический коэффициент полезного действия двигателя.

На фиг. 4 представлено изменение состояния заряда теплового регенератора, когда этот заряд, во время расширения рабочего заряда, поступает в примыкающее к холодной стороне теплового регенератора переменного расширительного пространства. При начале расширения заряд теплового регенератора находится под максимальным давлением р₂ и при средней температуре Т₅ теплового регенератора, т.-е. в состоянии, соответствующем точке ƒ. Так как расширение происходит в направлении к холодной стороне теплового регенератора, то все части заряда этого последнего выходят из него с нижнею предельною температурой T₁ этого регенератора, но, вследствие происходящего в холодном расширительном пространстве последующего дальнейшего расширения, они охлаждаются ниже температуры T₁. Так как поступающие в это расширительное пространство в различные моменты времени частицы газа испытывают в нем различное понижение давления и, соответственно различное охлаждение, то в данном случае можно говорить только о некоторой средней температуре T₉. После расширения, вышедший в расширительное пространство заряд теплового регенератора будет обладать лежащею ниже Т₁ среднею температурой T₉ и давлением р₁; состояние этого заряда изображается точкою h. Расширение происходит, следовательно, приблизительно по линии ƒ-h. При этом, за счет присущего газу внутреннего тепла производится работа расширения и, одновременно, тепловому регенератору отдается количество тепла, соответствующее площади s₉hƒs₅. Во время сжатия происходит противоположное изменение состояния от h до ƒ вдоль линии ƒ-h. При этом приходится произвести работу сжатия, равную работе расширения, вследствие чего тепловым регенератором воспринимается соответствующее площади s₉hƒs₅ количество тепла, и за счет этой энергии внутреннее тепло в точке ƒ снова доводится до начальной величины. Таким образом, расширение и сжатие заряда теплового регенератора происходит без производства или затраты работы, при чем также не происходит нарушения теплового равновесия регенератора и уменьшения коэффициента полезного действия термодинамического кругового процесса полезного заряда.

Так как влияние заряда теплового регенератора может быть устранено, то практически отпадают какие бы то ни было пределы для величины и размеров этих регенераторов.

Изменяемость присоединяемых на холодной стороне тепловых регенераторов расширительных пространств может быть получена различным образом. Так, например, для этой цели могут быть предусмотрены поршневые цилиндры, поршни которых перемещаются таким образом, что расширительные цилиндры изменяют свой об′ем согласно вышеуказанному. Можно, однако, получить такое же действие при помощи ряда расширительных резервуаров, которые находятся под различными давлениями и, при помощи некоторого распределительного механизма, во время периода расширения, соединяются с цилиндром один за другим в некоторой определенной последовательности, при конце же выталкивающего хода соединяются с ним в обратной последовательности.

На фиг. 2 чертежа представлена примерная форма выполнения предлагаемого двухтактного двигателя, который, работает в замкнутом круговом процессе с искусственною атмосферой и в котором упомянутые выше расширительные пространства образованы поршневыми цилиндрами. На фиг. 2 цыфрою 1 обозначен рабочий цилиндр, снабженный огнеупорною теплоизолирующею обшивкою 2, а цыфрою 4 - соединенный с коленчатым валом 3 рабочий поршень. Цыфрою 5 обозначен тепловой регенератор, через который пропускается свежий заряд рабочих газов из резервуара 6 через находящийся в зависимости от распределительного механизма впускной клапан 7, а цыфрой 8 - действующий также от распределительного механизма выпускной клапан, через который газы выходят или выталкиваются в образующий искусственную атмосферу резервуар низкого давления 9, где может находиться холодильник 10. Из резервуара 9 низкого давления насос 11 (рекомендуется быстроходный и многоступенчатый) всасывает, представляющие собой рабочее вещество, газообразные продукты горения в холодном состоянии, при наинизшей температуре T₁ кругового процесса и при давлении р₁ (точка е на фиг. 1) и нагнетает их сжатыми, по возможности, изотермически до давления р₂ в резервуар 6 высокого давления, соответственно участку е-а на фиг. 1. Так как рабочее вещество состоит из газообразных продуктов горения, то во время каждого рабочего хода в цилиндр 1 должен вводиться требующийся для горения свежий воздух, а если применяется газообразное горючее, то и это последнее. Для этого газообразное горючее забирается из некоторого источника газа, а воздух из атмосферы, при помощи, приводимых в действие коленчатым валом 3, двигателя, насосов низкого давления 12 и, соответственно, 13, нагнетающих их под давлением p₁ в резервуары 14 и, соответственно, 15. Газовый и, соответственно, воздушный насосы высокого давления 16 и 17, приводимые в движение (не показано на чертеже) также от коленчатого вала 3 двигателя, забирают газ и, соответственно, воздух через действующие от распределительного механизма клапаны 18 и 19 из резервуаров низкого давления 14 и 15 при давлении p₁ и подают газы сжатыми, через также действующие от распределительного механизма впускные клапаны 20, 21 и через вспомогательные тепловые регенераторы 22, 23 в камеру горения рабочего цилиндра 1. Подлежащее выделению из замкнутого кругового процесса при давлении p₁, эквивалентное вводимым свежим газом, весовое количество газообразных продуктов горения выходит через находящиеся в зависимости от распределительного механизма выпускные клапаны 24, 25 в расширительные цилиндры 30, 31, а из этих последних через каналы 24, 25′ - в измерительные насосы 35, 36, подающие подлежащее выделению количество газообразных продуктов горения при давлении р₁ в резервуар 27. Поршни насосов 16, 17, 30, 31 и 35, 36 приводятся в движение также от коленчатого вала двигателя. Из резервуара 27 продукты горения с давлением р₁ через тепловой рекуператор или регенератор 26 поступают в двигатель низкого давления 28. Охлажденные во время своего прохождения сквозь вспомогательные тепловые регенераторы 22 и 23 до наинизшей температуры Т₁ рабочего кругового процесса и собираемые с этой температурой в резервуар 27, сгоревшие газы воспринимают во время своего прохождения сквозь рекуператор 26 теплоту сжатия газов, сжимаемых в насосах 12 и 13. Сгоревшие газы поступают, следовательно, с температурой, соответствующею адиабатическому сжатию от атмосферного давления до давления р₁, в двигатель низкого давления 28, в котором они расширяются, производя работу и сообщая, таким образом, требующуюся для сжатия энергию обоим насосам 12 и 13. Так как работа, развиваемая двигателем низкого давления 28, оказывается недостаточной для того, чтобы кроме работы сжатия покрыть еще также работу сил трения машинного аггрегата 28, 12, 13, то рекомендуется коленчатый вал 36′ этого двигателя сцеплять с коленчатым валом 3 главного двигателя.

Цыфрами 37 и 38 обозначены нагнетательные клапаны расширительных цилиндров 30, 31, а цыфрою 39 - резервуар с сжатым газом, в котором действует давление р₂+Δp и который через посредство управляемых распределительным механизмом клапанов 40, 41 может быть присоединяем к вспомогательным тепловым регенераторам 22, 23.

На холодной стороне тепловых регенераторов 5, 22 и 23, между этими последними и впускными клапанами 7, 20, 21 и, соответственно, выпускными клапанами 8, 24, 25 присоединены расширительные цилиндры 29, 30 и 31, в которых перемещаются расширительные поршни 32, 33 и 34. Приводной механизм расширительных поршней 33 и 34, для упрощения чертежа, на фиг. 2 не показан; действие расширительных цилиндров будет описано сначала вне зависимости от их привода, так как расширительные поршни должны совершать периодическое перемежающееся движение, которое может быть достигаемо при помощи кривошипного механизма лишь приблизительно.

Пусть, например, тепловые регенераторы 5, 22 и 23 находятся уже в своем установившемся состоянии, в котором обращенная к рабочему пространству сторона их имеет температуру Т₂, а противоположная сторона - температуру Т₁, между тем как рабочий поршень 4 и расширительные поршни 32, 33 и 34 находятся в своих внутренних мертвых точках. В состоянии работы резервуары 9 и 27 наполнены сгоревшими газами при давлении р₁, резервуар 6 для сжатого газа - сгоревшими газами при давлении р₂ и резервуар для сжатого газа 39 - сгоревшими газами при давлении р₂+Δр. Резервуар 14 содержит горючий газ, а резервуар 15 - необходимый для горения воздух под давлением р₁. Во всех резервуарах господствует температура T₁, при чем резервуары эти настолько велики, что колебаниями давления можно пренебречь. Пусть, например, вредное пространство рабочего цилиндра 1, расширительных цилиндров 29, 30, 31 и тепловых ренегераторов 5, 22, 23 будет заполнено газами с наивысшим давлением р₂ рабочего цикла, при чем главный тепловой регенератор 5 содержит, например, сгоревшие газы, вспомогательный тепловой регенератор 23 - горючий газ, вспомогательный тепловой регенератор 23 - свежий воздух. Открывание, действующего в зависимости от распределительного механизма, впускного клапана 7 происходит во внутренней мертвой точке поршня 4, соответственно точке а (фиг. 1 и 5). При этом, содержавший сжатое до впускного давления р₂ рабочее вещество, резервуар 6 сообщается с цилиндром 1. Так как в этом последнем уже действует давление р₂, то из резервуара 6 не поступает газ в рабочее пространство до тех пор, пока рабочий поршень 4 не начнет своего рабочего хода. При под′еме поршня 4 рабочее вещество с давлением р₂ вытекает из резервуара 6 через впускной клапан 7, в соответствующей движению рабочего поршня степени, и перемещает перед собой находящиеся в тепловом регенераторе 5 газы в рабочий цилиндр 1. Одновременно с впускным клапаном 7 открываются, также впускные клапаны 40 и 41, для находящихся в резервуаре 39 под давлением р₂+Δp сгоревших газов, вытесняющих в направлении к рабочему цилиндру 1, накопленный во вспомогательном тепловом регенераторе 22 под давлением р₂ горючий газ и накопленный во вспомогательном тепловом регенераторе 23 свежий воздух. Во время прохождения через тепловые регенераторы газы нагреваются до наивысшей температуры T₂ тепловых регенераторов, соответственно участку а-b² изобары P₂ (фиг. 1), и с этой температурой поступают в рабочий цилиндр. Так как эта температура превышает температуру воспламенения, то выходящий из вспомогательного теплового регенератора 22 горючий газ вместе с выходящим из вспомогательного теплового регенератора 23 свежим воздухом воспламеняется и сгорает в сопле 42, при чем продукты горения смешиваются с выходящими из главного теплового регенератора 5 рабочими газами, благодаря чему они нагреваются до еще более высокой температуры Т₃ соответственно участку b-с изобары (фиг. 1). Таким образом рабочий поршень 4 совершает часть а-с (фиг. 5) своего рабочего хода при постоянном давлении р₂, в то время как работа совершается за счет тепла, полученного путем внутреннего сжигания. В момент с хода поршня впускные клапаны 7, 40 и 41 закрываются, так что на протяжении участка с-d рабочего хода (фиг. 1 и 5) происходит адиабатическое понижение давления находящихся в цилиндре 1 рабочих газов с величины p₂ до величины р₁, во время какового понижения давления происходит охлаждение газов с температуры Т₃ до температуры Т₂. Во время периода расширения должны притти в действие расширительные поршни 32, 33 и 34, относительно которых предположено, что до этого момента они пребывали в покое (как показано на чертеже). В начале периода расширения, в момент с (фиг. 1 и 5) клапаны 24, 25 открываются и расширительные поршни должны начать свой ход, направленный наружу, заканчивая его в конце периода расширения в момент d. При этом расширительные поршни должны быть перемещаемы таким образом, чтобы газы, находящиеся при давлении р₂ в тепловых регенераторах 5, 22 и 23, а также в расположенных между холодною стороною тепловых регенераторов и расширительными поршнями вредных пространствах, могли расширяться во время понижения давления в пространства, открываемые расширительными поршнями 32, 33 и 34 в расширительных цилиндрах 29, 30 и 31, но не могли выйти на горячей стороне теплорегенераторов и войти в рабочий цилиндр 1. Описанное выше устройство действует, следовательно, таким образом, как если бы при начале расширения тепловые регенераторы на своей горячей стороне были отделены соответствующими стенками от рабочего пространства цилиндра 1. При конце направленного наружу хода рабочего поршня 4, давление в рабочем цилиндре - если для простоты не принимать во внимание периода выпуска - (фиг. 5) понижается до величины р, а расширительные поршни 32, 33 и 34 доходят до своей наружной мертвой точки.

Расширительные цилиндры заполнены расширившимися из тепловых регенераторов холодными и сгоревшими газами. Теперь открывается выпускной клапан 8, после чего рабочий поршень 4 совершает свой ход d-е книзу (фиг. 1 и 5). Расширительные поршни 32, 33 и 34 остаются при этом в покое. Во время своего нисходящего движения, поршень 4 перемещает в резервуар 9 из рабочего цилиндра через главный тепловой регенератор 5 и клапан 8 такое весовое количество сгоревшего газа с температурой Т₁ и давлением p₁, которое равно весовому количеству сгоревшего газа, введенного во время рабочего хода через клапан 7 при давлении р₂. Одновременно приходят в действие измерительные насосы 35 и 36 и всасывают через цилиндры 30, 31 и через открытые поршнями 33, 34 соединительные каналы 24′, 25′ из рабочего цилиндра 1 через каждый из вспомогательных тепловых регенераторов 22, 23 такое весовое количество сгоревшего газа, которое равно количеству свежего газа, введенного через соответствующий вспомогательный регенератор во время периода сгорания. После этого клапаны 24, 25 закрываются и расширительные поршни 33, 34 отводятся назад, нагнетая, находящийся в расширительных цилиндрах 30, 31 сгоревший газ, в сжатом до давления р₂+Δp виде, через клапаны 37, 38 в резервуар 39, возвращая таким образом этому последнему забранное у него раньше количество газа. Измерительные насосы 35, 36 перемещают присосанные количества сгоревших газов без повышения давления в резервуар 27. Этот резервуар может быть соединен с резервуаром 9. Между тем газовый насос 16 присосал из резервуара 15 горючий газ и соответственно свежий воздух с давлением р₁. Вблизи конца нисходящего хода, в момент е (фиг. 5) выпускной клапан 8 закрывается, между тем как клапаны 20, 21 открываются. Во время конца своего нисходящего хода, до достижения своей внутренней мертвой точки а (фиг. 5), рабочий поршень 4 сжимает оставшееся в рабочем цилиндре 1 рабочее вещество до величины впускного давления р₂, соответственно участку е-а (фиг. 5). Во время этого периода сжатия е-а рабочего поршня 4, расширительный поршень 32 и поршни насосов 16, 17 также должны совершить свой ход, направленный внутрь, и постепенно сжать находящиеся в соответствующих цилиндрах газы до давления р₂, при чем расширительный поршень 32 нагнетает содержащиеся в расширительном цилиндре 29 сгоревшие газы в тепловой регенератор 5, насос 16-заключающийся в нем горючий газ, во вспомогательный тепловой регенератор 22 и насос 17-заключенный в нем свежий воздух, во вспомогательный тепловой регенератор 23. Таким образом, рабочий цилиндр оказывается готовым для впуска в него свежего заряда, и тепловые регенераторы 5, 22, 23, равно как и расположенные на их холодной стороне вредные пространства, снова заполнены рабочим веществом, горючим газом и, соответственно, свежим воздухом с давлением p₂.

Из предыдущего видно, что расширительный поршень 32 должен совершать своеобразное, отличное от гармонического, периодическое движение. На фиг. 6 начерченная тонкою линией синусоида I представляет движение рабочего поршня 4, между тем как начерченная толстою линией линия II представляет движение, которое должен совершать расширительный поршень 32, если проходимый этим поршнем об′ем составляет, например, около трех четвертей об′ема, проходимого рабочим поршнем. Остальные расширительные поршни должны совершать более или менее подобное этому движение, вследствие чего в дальнейшем будет упомянуто только о расширительном поршне главного теплового регенератора. На фиг. 6 площадь, соответствующая об′ему рабочего цилиндра заштрихована вертикальными, а площадь, соответствующая об′ему расширительного цилиндра- наклонными линиями.

Из фиг. 6 видно, что расширительный поршень должен оставаться в покое, как в положении своей внутренней мертвой точки, во время более короткого промежутка а-с, в течение которого рабочий цилиндр, получает свой заряд (ср. фиг. 5), так и в положении своей наружной мертвой точки, во время более длинного промежутка d′-с, в течение которого происходит выталкивание сгоревших газов из рабочего цилиндра (ср. фиг. 5). После своей более короткой остановки а-с в положении внутренней мертвой точки (фиг. 6), расширительный поршень должен совершить сравнительно мало отличающийся от движения рабочего поршня, распространяющийся на протяжении участка с-d расширения рабочего поршня, направленный наружу, ход с-k, а после более продолжительной остановки k-m в положении наружной мертвой точки, тот же расширительный поршень должен совершить очень крутой направленный внутрь ход m-а, продолжающийся только в течение периода сжатия е-а хода рабочего поршня. Из кривой III (пунктир) на фиг. 6 видно, что площадь, соответствующую об′ему расширительного цилиндра, можно приблизительно воспроизвести при помощи синусоидальной кривой, у которой срезаны расположенные ниже линии V_min верхушки впадин и расположенные выше линии V_max верхушки под′емов. Синусоида III должна отставать на угол X по отношению к синусоиде I. Устройство, предназначенное для срезывания верхушек под′емов и впадин, представляющее собою движение расширительного поршня синусоиды III, состоит в том, что расширительный поршень приводится в действие с запозданием относительно рабочего поршня и что впускные органы рабочего цилиндра приводятся в действие распределительным механизмом так, чтобы расширительный поршень некоторую долю своего хода в конце и в начале, вместе с самою переменою хода, совершал открытия впускных и выпускных органов.

Расширительный поршень 32 приводится в движение от коленчатого вала 3 при помощи кривошипов 43 и шатунов 44. Кривошипы 43 (фиг. 7) отстают относительно кривошипов 45 рабочего поршня 4 умышленно на угол х, т.-е. поршень расширительного цилиндра должен начинать свой ход наружу лишь тогда, когда рабочий поршень уже выполнил часть своего рабочего хода для наполнения цилиндра. Величина полного угла, на которой должны быть переставлены кривошипы 43 поршня расширительного цилиндра 32 относительно кривошипов 45 рабочего поршня 4, зависит от положения расширительного цилиндра относительно рабочего цилиндра, т.-е. от угла, который образуют продольные оси обоих цилиндров друг с другом. Соответственно этому определяется и направление движения поршней друг относительно друга, которое в зависимости от положения должно быть согласным, поперечным или противоположным. Угол, который образуют друг с другом оси цилиндров, увеличенный на угол запоздания х, дает полный угол, на который должны быть переставлены кривошипы друг относительно друга. В варианте согласно фиг. 2 оси цилиндров, расширительного 29 и рабочего 2, образуют друг с другом угол в 180°, т.-е. их поршни двигаются в противоположных направлениях, и согласно этому полный угол перестановки кривошипов составляет 180°+x°.

Когда рабочий поршень находится в начале своего (восходящего) рабочего хода и резервуар высокого давления 6 через клапан соединен с рабочим цилиндром, то расширительный поршень 32 в наполненном сгоревшими газами (под давлением р₂) расширительном цилиндре (соответственно углу отставания х) находится в показанном сплошными линиями положении 32 своего восходящего хода. После этого, он, перемещаясь до положения 32 а своей мертвой точки, меняет у внутреннего конца ход; во время своего нисходящего хода (в момент с на фиг. 6) он возвращается снова в показанное сплошными линиями положение 32, при котором впускной клапан 7 закрывается. В течение этого времени рабочий поршень прошел участок а-с (фиг. 5) своего рабочего хода, при чем цилиндр получил свежий заряд. Одновременно расширительный поршень во время своего восходящего хода переместил газы из расширительного цилиндра в резервуар и снова присосал их во время своего нисходящего хода. Рабочий поршень 4 совершает теперь свой расширительный ход с-d (фиг. 6), в течение которого расширительный поршень выполняет свой нисходящий ход от положения 32 до положения 32 b (соответственно участку с-k кривой II и III на фиг. 6). При этом расширяющийся заряд теплового регенератора входит в расширительный цилиндр 29 до тех пор, пока давление не упадет до p₁. В этот момент, т.-е. еще до конца нисходящего хода расширительного поршня 32, открывается выпускной клапан 8, вследствие чего происходит выпуск и выталкивание рабочего вещества из рабочего цилиндра в резервуар низкого давления 9 (вдоль участка n-е кривой I на фиг. 6). В течение этого времени расширительный поршень переходит из положения 32 b в свою нижнюю мертвую точку 32 с и по выполнении перемены хода, во время своего восходящего движения, снова возвращается в положение 32 b (в момент, соответствующий точке е кривой II и III на фиг. 6). Затем закрывается выпускной клапан 8, после чего, с одной стороны, рабочий поршень 4 совершает работу сжатия на участке е-а до конца своего нисходящего хода (кривая I на фиг. 6), а, с другой стороны, расширительный поршень 32 совершает сжимающий ход соответственно части хода 32 b - 32 и соответственно участку m-а кривой II и III. При этом расширительный поршень сжимает содержащиеся в расширительном цилиндре газы до давления р₂ и постепенно перемещает их во время повышения давления в тепловой регенератор 5, так что последний снова получает свой первоначальный заряд. Во время сжатия заряда теплового регенератора не происходит никакого повышения температуры холодной стороны этого регенератора за первоначальную температуру Т₁, так как содержимое расширительного цилиндра при понижении своего давления с величины р₂ до величины р₁ подверглось адиабатическому охлаждению от температуры Т₁ до некоторой более низкой температуры, следовательно, при последующем сжатии от давления р₁ до давления р₂; исходя из этой более низкой температуры охлаждения, содержимое это снова достигнет своей первоначальной температуры.

Из фиг. 6 видно, что синусоидальная кривая III не симметрична, так что она круче спадает, чем поднимается. Подобное асимметричное искажение синусоидальной кривой может быть, как известно, достигнуто соответствующим укорачиванием шатуна кривошипного механизма приводящего в движение расширительный поршень.

На диаграмме (фиг. 6) действие первого выпуска d′-d (фиг. 5) не принято во внимание, так как в момент открытия выпуска на диаграмме появляется показанный на фиг. 8 перегиб r. Для того, чтобы получить этот перегиб при изменении об′ема расширительного цилиндра, рекомендуется применять вместо одного, два расширительных цилиндра, из которых один (первичный) расширительный цилиндр дает изменение об′ема с, r, t, а, с, а другой (вторичный расширительный цилиндр) дает изменение об′ема r′, k, m, t, r′. Рабочие периоды обоих расширительных цилиндров должны быть при этом установлены таким образом, чтобы первичный цилиндр 29 на фиг. 2 начинал свою работу расширения в момент с (ср. фиг. 5), вторичный же расширительный цилиндр, который присоединен к холодной стороне теплового регенератора 5, но не показан на фиг. 2, вступает своим периодом расширения в момент d′ и продолжает это расширение до момента d. Первичный расширительный цилиндр остается в течение этого времени бездеятельным. Оба расширительных цилиндра остаются в бездействии до момента с, после чего до момента а, как первичный, так и вторичный расширительные цилиндры, должны совершать свой период сжатия, одновременно или друг за другом, таким образом, чтобы общее изменение об′ема обоих расширительных цилиндров соответствовало линии m-а (фиг. 6).

Из вышеприведенного видно, что посредством простого кривошипного механизма можно воспроизводить требующиеся кривые об′емов расширительных цилиндров только приблизительно. Точное воспроизведение об′емных кривых могло бы быть достигнуто при помощи кулачных дисков, но приводные механизмы этого рода являются непригодными для передачи рассматриваемых значительных сил.

Другое средство для получения любых об′емных кривых расширительных пространств состоит в применении ряда находящихся под давлением резервуаров, представляющих собой различные ступени давления, начиная от наинизшего давления р₁ кругового процесса, до наивысшего его давления р₂. Чем меньше разница между отдельными ступенями давления, а также чем больше число таких находящихся под давлением резервуаров, тем точнее может быть воспроизведена каждая кривая об′ема или давления диаграммы расширительного пространства. Соединение этих, находящихся под давлением резервуаров, с рабочим пространством двигателя на холодной стороне теплового регенератора устанавливается распределительным механизмом, действующим таким образом, что во время периода расширения упомянутые, находящиеся под давлением, резервуары присоединяются друг за другом и по одиночке, к холодной стороне теплового регенератора в убывающей от давления р₂ до давления p₁ последовательности, каждый раз в тот момент, в который давление рабочего пространства оказывается на Δр выше, чем в присоединенной как раз ступени указанного ряда резервуаров. Во время периода сжатия рабочего пространства тот же распределительный механизм присоединяет к рабочему пространству отдельные ступени этого ряда резервуаров в обратной предыдущему последовательности.

На фиг. 9 схематически изображена примерная форма выполнения такого устройства. К холодной стороне 46 теплового регенератора 5 рабочего цилиндра 1 двигателя, при помощи, находящихся в зависимости от распределительного механизма 47, клапанов 49 могут быть присоединяемы, находящиеся под давлением, резервуары 48а, 48b… 48ƒ. В первом из этих резервуаров 48а господствует давление р₂, в последнем резервуаре 48ƒ - давление р₁. В промежуточных членах ряда 48а-48ƒ господствуют различные промежуточные ступени обоих предельных давлений р₂ и p₁.

Во время периода расширения, распределительный механизм 47, в течение периода с-k (фиг. 8) соединяют резервуары в последовательном порядке 48а… 48ƒ по одиночке друг за другом, с пространством 46 в такие моменты, в которые в рабочем цилиндре господствует давление, превышающее примерно на Δр давление присоединенного в этот момент резервуара 48. В течение периода k-m (фиг. 8) все резервуары отключаются. От момента m до момента а (фиг. 8) резервуары 48 соединяются друг за другом, поодиночке, с пространством 46 последовательно 48ƒ… 48а, так что в означенном пространстве 46 и соответственно в тепловом регенераторе 5 давление повышается в той же мере, в какой давление было бы повышено поршнем 4 двигателя в пространстве, расположенном между этим поршнем и горячим концом теплового регенератора 5. Вследствие этого, во время периода понижения давления заряд теплового регенератора расширяется в резервуары 48а… 48ƒ, а не в горячее пространство рабочего цилиндра, между тем как во время периода повышения давления заряд теплового регенератора не нагнетается в последний с горячей стороны, а попадает в него с постепенным повышением давления из резервуаров 48ƒ… 48а.

1. Двухтактный двигатель внутреннего горения с регенераторами, в котором часть продуктов горения постоянно остается в двигателе, характеризующийся применением расширительных цилиндров 29, 30, 31, расположенных на холодной стороне регенераторов 5, 22, 23, поршни каковых цилиндров приводятся в движение или механизмом с остановкой, или кривошипами, отстающими на некоторый угол от рабочего кривошипа 45, из каковых цилиндров цилиндр 29 служит для периодического отбора части продуктов горения из рабочего цилиндра 1 при наинизшем давлении и последовательной их подачи обратно при наивысшем давлении, цилиндры же 30 и 31 предназначены: 1) для выпуска, надлежащей части продуктов горения через каналы 24¹, 25¹ и насосы 35, 36 в резервуар 27, откуда они направляются через рекуператор 26 в цилиндр 28 вспомогательного двигателя, и 2) для сжатия остальной части указанных продуктов и подачи их в резервуар 39, откуда они переводятся через принудительно открываемые клапаны 40, 41 обратно в пространство перед регенераторами 22 и 23 (фиг. 2, 6-8).

2. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 двигателя, отличающееся тем, что вместо расширительных цилиндров применяются резервуары 48abc… и 48deƒ, сообщаемые последовательно с пространством 46 регенератора 5 и отделяемые от него в обратном порядке при помощи принудительно открываемых органов 49 (фиг. 9).