тепловая машина. способ работы и варианты исполнения

Формула изобретения

1. Способ работы тепловой машины, характеризующийся наполнением рабочего объема газом, сжатием газа, вытеснением сжатого газа в рекуператор и подогревом его теплом выпускных газов, перепуском в нагреватель и дополнительным подводом тепла в нем, впуском газа высокого давления в рабочий объем с последующим его расширением, выпуском, охлаждением в рекуператоре и холодильнике, отличающийся тем, что подогрев газа начинают в процессе сжатия и продолжают в процессе расширения.

2. Тепловая машина (двигатель), содержащая цилиндры с поршнями, впускными и выпускными окнами, соединенными с рекуператором и холодильником, рекуператор с "холодными" и "горячими" окнами и нагреватель, отличающаяся тем, что рекуператор выполнен в виде регенератора, у "холодного" окна его установлены клапаны, посредством которых "холодное" окно в процессе сжатия сообщено с рабочей полостью цилиндра, а в процессе выпуска с выпускным трактом; у "горячего" окна регенератора установлен клапан, посредством которого "горячее" окно регенератора в процессе сжатия соединено с нагревателем, в процессах расширения и выпуска - с рабочей полостью цилиндра, а нагреватель соединен с рабочей полостью в процессах нагрева, расширения и выпуска и выполнен в виде теплообменника с внешним подводом тепла или в виде камеры сгорания с устройством подачи топлива (форсункой), при этом холодильником является внешняя атмосфера.

3. Роторно-поршневой двигатель, содержащий корпус с впускными и выпускными окнами и с рабочей поверхностью, образованной двойной эпитрохоидой, и трехгранный ротор, образующие камеры сжатия и расширения, отличающийся тем, что в корпусе камеры сжатия установлен обратный клапан, посредством которого камера сжатия сообщена с входом рекуператора, выход которого через обратный клапан соединен с входом нагревателя, выход последнего соединен непосредственно с камерой расширения, впускные окна соединены с холодильником, выпускные окна последовательно сообщены с греющим трактом рекуператора и холодильником, причем грани ротора выполнены по внутренней огибающей.

4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде теплообменника с внешним подводом тепла.

5. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде камеры сгорания с топливной форсункой, а холодильником является внешняя атмосфера.

6. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что в корпусе между камерами сжатия и расширения установлено уплотнение.

7. Двигатель по пп.6 и 3, отличающийся тем, что уплотнение выполнено в виде круглого стержня, установленного в канавке, расстояние между внешними кромками которой меньше диаметра стержня.

8. Нагреватель, содержащий теплообменные секции с греющим теплоносителем, снабженные теплогенератором, и секции с нагреваемым теплоносителем, отличающийся тем, что секции с греющим теплоносителем соединены последовательно и каждая из них снабжена теплогенератором, а секции с нагреваемым теплоносителем соединены параллельно.

9. Газотурбинный двигатель, содержащий лопаточный компрессор кинетического сжатия с лопатками диффузора или спрямляющего аппарата, камеру сгорания и газовую турбину с выпускным трактом, отличающийся тем, что, по меньшей мере, лопатки диффузора или спрямляющие лопатки выполнены с внутренними полостями, имеющими впускные окна, соединенные с выпускным трактом турбины, и выпускные окна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики, конкретнее к двигателестроению и холодильной технике.

I. Роторный двигатель

Известен роторный двигатель [1] , в котором реализован способ работы, характеризующийся наполнением рабочего объема газом, последующим его сжатием, подогревом сжатого газа в теплообменнике-рекуператоре теплом выпускных газов, дополнительным подводом тепла в нагревателе, расширением газа, выпуском его из рабочего объема двигателя, предварительным охлаждением в рекуператоре и последующим отводом тепла в холодильнике.

Известный способ обеспечивает возможность создания весьма экономичного двигателя, однако он не исчерпывает всех возможностей дальнейшего повышения эффективного КПД. Как известно, при неизменной максимальной температуре цикла термический КПД тепловой машины тем выше, чем ниже температура выпускных газов. В этом аспекте характеристика упомянутого способа не самая благоприятная, поскольку температура выпускных газов принципиально не может быть меньше температуры газа в конце процесса сжатия, которая значительна.

Кроме того, после наполнения цилиндра зарядом нагретого газа высокого давления происходит его отсоединение от нагревателя и дальнейшее адиабатное расширение (без подогрева) до перепуска в рекуператор. Однако из цикла Карно следует, что более экономичен процесс расширения, приближенный к изотерме.

Задачей предлагаемого способа является дальнейшее повышение термического КПД тепловой машины; она разрешается тем, что теплообмен в рекуператоре между выпускными газами и свежим зарядом начинается не в момент окончания сжатия, а непосредственно в процессе сжатия, что позволяет снизить температуру выпускных газов, увеличить средний показатель политропы сжатия и повысить таким образом термический КПД. В процессе расширения нагретого газа камера расширения соединена с нагревателем и рекуператором, поэтому процесс расширения происходит с дополнительным подогревом, т.е. приближен к изотерме и экономичнее.

II. Двигатель внешнего сгорания

Известен двигатель внешнего сгорания [2], содержащий цилиндры с поршнями, наполнительные и нагнетательные клапаны, соединенные магистралью высокого давления с рекуператором и нагревателем, впускные и выпускные окна в магистрали низкого давления, соединенные между собой через турбину-компрессор и холодильник.

В настоящей заявке рассмотрен подобный двигатель, экономичность и удельная мощность которого значительно повышены путем использования рассмотренного выше способа (подводом тепла в процессе сжатия), исполнением рекуператора в виде регенератора с чередующимися во времени потоками свежего заряда и выпускных газов, а также благодаря гибридному устройству двигателя, в котором нагреватель выполнен в виде камеры сгорания с топливной форсункой.

На фиг. 1 изображена конструкция двигателя в осевом разрезе; на фиг. 2 и 3 - варианты структуры теплообменных элементов регенератора; на фиг. 4, 6, 7, 8, 15 - варианты исполнения впускного клапана цилиндра и распределительного клапана; на фиг. 5 изображена индикаторная диаграмма рабочего цикла двигателя.

Двигатель содержит цилиндры 1 с поршнями 2, крышку 3 с впускным клапаном 4 и выпускным клапаном 5, камеру сгорания с теплоизоляцией 7 и топливной форсункой 8, соединенной трубопроводом 9 с системой топливоподачи. В крышке установлен регенератор 10 с "холодным" окном 11, соединенным в процессе сжатия через отверстие 12 с рабочим объемом 13 цилиндра, а в процессе выпуска - с выпускным каналом 14; "горячее" окно 15 регенератора посредством распределительного флажкового клапана 16 сообщено в процессе сжатия с камерой сгорания каналом 17, а в процессах сгорания и расширения - одновременно с камерой сгорания и с рабочей полостью цилиндра. Клапан 16 расположен напротив или рядом с впускным клапаном 4 таким образом, что он в процессе впуска обтекается и охлаждается потоком свежего заряда. Клапан 16 неподвижно в окружном направлении установлен на оси 18, которая выведена наружу и имеет привод известного типа, например, от кулачкового распределительного валика; управление клапаном 4 и 5 также предполагается традиционным. Вариант устройства на фиг. 4 характеризуется тем, что стержень впускного клапана 4a имеет сквозное осевое отверстие, в котором подвижно пропущен стержень тарельчатого распределительного клапана 16a, управляемого рычагом 19.

Регенератор представляет собой оболочку 20, заполненную проницаемой пористой структурой, например, керамикой, путанкой из жаропрочной проволоки и т. п. Представляется оптимальной структура, изображенная на фиг. 2 и 3, состоящая из продольных элементов 21 (основы) и поперечных элементов 22 (утка), она может быть изготовлена из слоев жаропрочной сетки (фиг. 2) или из керамических элементов, спеченных под давлением (фиг. 3). Поперечные потоку газа элементы 22 имеют относительно большое сечение обтекаемой овальной формы, например, в виде эллипса или двух сегментов, соединенных основаниями и имеющих отношение ширины к толщине порядка 5u (например, ширина 1 мм и толщина 0,2), выполнены из жаропрочного материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Продольные элементы могут иметь круглую или квадратную форму поперечного сечения; расстояния между ними примерно на порядок больше толщины, предпочтительно изготовление их из материала с низкой теплопроводностью для снижения потока тепла в продольном направлении. Суммарное проходное сечение каналов регенератора исполняется переменным в продольном направлении, оно увеличивается от холодного окна к горячему для поддержания оптимальной скорости газа в процессе теплообмена. Для реализации этого условия регенератор 10, имеющий на фиг. 1 плоскопараллельную конфигурацию, на виде в плане имеет форму, близкую к трапеции или сектору с большим основанием у горячего конца и с малым основанием у холодного. Вариант газораспределения двигателя, изображенный на фиг. 6, 7, характеризуется исполнением распределительного клапана в виде заслонки 23, неподвижно скрепленной со стержнем 24, снабженным пружиной 25 и приводным рычагом 26. В процессе сжатия заслонка перекрывает канал 27, проходное сечение которого больше сечения канала 17, т.е. ширина B>b, благодаря чему устраняется заброс высокотемпературных газов из камеры сгорания в регенератор. В крышке установлены, как в обычном двигателе, два впускных клапана 4. Компановка отличается минимальным пассивным (паразитным, мертвым) объемом рабочей полости цилиндра в ВМТ; недостаток ее - большая теплонапряженность заслонки 23.

Вариант на фиг. 8 содержит распределительный клапан в виде задвижки 28 со стержнем 29, рабочее движение которого под воздействием рычага 30 и пружины 31 направлено поперек потока газа из канала 27. В момент выпуска газа из камеры сгорания (начало процесса расширения) задвижка экранируется от воздействия газа крышкой, поэтому ее теплонапряженность минимальна по сравнению с другими вариантами. Задвижка 28 допускает исполнение или в виде плоскопараллельной пластины, или клиновидной формы с запорной поверхностью, расположенной под углом к оси стержня 29 и обеспечивающей более плотное перекрытие канала 27.

На фиг. 15 изображен вариант газораспределения вблизи холодного окна регенератора. Он содержит дополнительный клапан 76, поджатый пружиной 77, который открывается давлением газа в полости цилиндра в процессе сжатия и закрыт в процессах сгорания и расширения, препятствуя таким образом пропуску высокотемпературных газов через регенератор. Возможно исполнение дополнительного клапана 76 подобно клапану 16a (фиг. 4) с управлением от кулачкового вала.

Регенератор 10 может быть выполнен в виде пакета гофрированных пластин, уложенных в гнезде крышки и поджатых пластиной, например, посредством винтов. Пластины изготовлены из жаропрочного листа (фольги) толщиной порядка 0,1 мм с шагом гофр 1 мм. Смежные пластины имеют разное направление гофр, которые таким образом, пересекаются и образуют множество точек контакта, воспринимающих силы поджатия пластины и давления газов. Положительное свойство подобного исполнения регенератора - технологичность и ремонтопригодность, последнее обеспечено возможностью разборки теплообменной структуры и очистки ее элементов от нагара и других отложений.

При исполнении регенератора 10 в виде теплообменника-рекуператора с разделенными потоками теплоносителей действие клапана 16 идентично, а клапан 5 функционирует как обычный выпускной, отверстие 12 постоянно открыто.

Четырехконтактный двигатель действует следующим образом. При движении поршня вниз к НМТ открыт впускной клапан 4, через который происходит наполнение рабочего объема цилиндра холодным газом. Вблизи НМТ закрывается впускной клапан, клапаны 5, 16 остаются закрытыми, полость цилиндра 13 и камера сгорания 6 сообщены через отверстие 12, регенератор 10 и канал 17. Движение поршня к ВМТ сопровождается сжатием газа и вытеснением его через регенератор в камеру сгорания, газ в регенераторе дополнительно нагревается теплом выхлопных газов, причем показатель политропы сжатия значительно превосходит показатель адиабаты. В частности, при геометрической степени сжатия = 6 показатель политропы в процессе сжатия возрастает от 1,5 до 2,5, а температура в камере сгорания - от 340 до 2150 K. Вблизи ВМТ открывается клапан 16 и через форсунку 8 впрыскивается топливо. Поскольку температура в камере 6 в несколько раз превосходит температуру воспламенения топлива, происходят быстрое самовоспламенение образовавшейся горючей смеси и ее полное сгорание в условиях большого избытка воздуха. Давление в камере возрастает до P_z3,4 МПа, температура - до T_z2600 К, продукты сгорания при ходе поршня вниз через канал 17 поступают, минуя регенератор, непосредственно в полость цилиндра и расширяются, совершая полезную работу на валу двигателя. По окончании процесса расширения открывается выпускной клапан 5, закрывая отверстие 12, и через открытый клапан 16, регенератор 10, канал 14 осуществляется выпуск отработавших газов, температура которых после регенератора уменьшается в несколько раз. Регенератор, кроме теплообмена, может выполнять другие полезные функции. Его теплообменные поверхности могут быть покрыты катализаторами на основе платины, медно-никелевых сплавов и т.п. и обеспечивать нейтрализацию токсичных компонентов. Обладая значительным гидравлическим сопротивлением, регенератор исключает сверхзвуковые скорости истечения газов в фазе активного выпуска, являющиеся источником интенсивного шума, т.е. он является эффективным глушителем. Снижая температуру выпускных газов, регенератор не только повышает экономичность цикла, но и уменьшает тепловое загрязнение внешней среды.

Возможна реализация предложенного способа в ДВС с двухтактным рабочим циклом, например, с клапанно-щелевой продувкой рабочих камер цилиндров. При этом в стенках цилиндров исполняются ряды продувочных окон (подобно прототипу), соединенных через рессивер с источником сжатого воздуха, например, с турбокомпрессором или с воздуходувкой типа Рутс, а впускной клапан 4 исключается из конструкции за ненадобностью.

Возможно также исполнение двигателя с замкнутым циклом; в этой версии вместо камеры сгорания с форсункой выполняется нагреватель с внешним подводом тепла, подобный, например, воздухонагревателю в двигателе Стирлинга, лучевой нагреватель концентратора солнечного излучения, ядерный источник тепла, тепловой аккумулятор и др., а выпускной канал 14 соединяется со входом впускного клапана 4 через холодильник.

Технико-экономическая эффективность двигателя

1. Топливная экономичность

На фиг. 5 изображена индикаторная диаграмма цикла предложенного двигателя с параметрами, упомянутыми выше, и с продолжительным расширением (степень продолженного расширения 1,5). Для сравнения пунктирной линией изображена типичная диаграмма карбюраторного двигателя со степенью сжатия 8,5 и одинаковой максимальной температурой цикла T = 2,600 K. Площадь ее (следовательно, и работа) в 1,5 раза больше, чем у предложения, но количество подведенного к рабочему телу тепла, определяемого отношением отрезков Z₁C₁/ZC, больше в 4,5 раза; следовательно, термический КПД предложенного двигателя в 3 раза выше, чем у карбюраторного и примерно в 2 раза выше КПД цикла Дизеля.

2. Сгорание с большим избытком воздуха и совмещение с регенератором каталитического нейтрализатора обеспечивают весьма низкий уровень токсичности выпускных газов, т.е. благоприятно разрешает экономические проблемы.

3. Снижается уровень шума.

4. Обеспечено самовоспламенение топлива в камере сгорания даже при самых малых степенях сжатия ~ 2, следовательно, отпадает необходимость в сложной системе зажигания и можно ограничиться калильной свечой, функционирующей при запуске двигателя.

5. Двигатель экономичен при низких величинах максимального давления P_z 3. ..4 МПа, что предопределяет низкие механические напряжения в конструкции, ее малую удельную массу, снижение вибрации, повышение надежности уплотнений, подшипников, механического КПД и др.

Таким образом, - это высокоэффективное техническое решение, обеспечивающее новый уровень совершенства в ключевых направлениях эволюции двигателей.

Согласно известному принципу инверсии двигатель при вращении его вала внешним энергоисточником работоспособен в качестве холодильной машины.

III. Роторно-поршневой двигатель

Известен роторно-поршневой двигатель Ф.Ванкеля и В.Фреда [3], содержащий корпус с впускными и выпускными окнами и с рабочей полостью, образованной двойной эпитрохойдой, в которой на экцентриковом валу установлен трехгранный ротор с выпуклыми гранями, очерченными обычно дугами окружностей и снабженными выемками для перепуска газа из одного серповидного объема камеры сгорания в другой.

Недостатком известного двигателя является относительно низкая топливная экономичность. В настоящем разделе заявки рассмотрен подобный двигатель, модифицированный для реализации предложенного способа с целью радикального повышения его экономичности.

На фиг. 9 изображен двигатель в поперечном разрезе; на фиг. 10 - разрез по А-А; на фиг. 11 - разрез по В-В; на фиг. 12 изображено радиальное уплотнение в корпусе.

Двигатель содержит корпус 32 с рабочей полостью, образованной двойной эпитрохойдой 33, впускными окнами 34 и выпускными окнами 35. На противоположной относительно окон 34, 35 поверхности эпитрохойды выполнены нагнетательное окно 36, снабженной обратным клапаном 37, установленным в корпусе на оси 38 и поджатым пружиной 39; и наполнительное окно 40. Соединение между осью 38 и отверстием под нее в рычаге клапана выполняется достаточно свободным, т. е. с увеличенными зазорами или в виде продольного паза для возможности самоцентрирования сферической рабочей поверхности клапана в отверстии 36; обращенная в рабочую полость поверхность клапана может иметь мягкое износное покрытие (например, на основе графита) для сопряжения с выступами ротора с минимальным зазором. Окно 36 через клапан 37, теплообменник-рекуператор 41, канал 42 и теплообменник-нагреватель 43 соединено с окном 40. Второй, греющий тракт рекуператора 41 является противоточным по отношению к указанному выше нагреваемому тракту и соединен каналами 44, 45, 56 с впускными окнами 34 и выпускными окнами 35. Греющий тракт нагревателя 43 каналом 46 соединен с выходом теплогенератора 47, снабженного грелкой 48, топливо к которой, например, керосин, газ и др., подается через трубопровод 49, а воздух - через патрубок 50. В качестве теплогенератора могут быть применены концентратор солнечного света, атомный источник тепла, сплавы и среды - аккумуляторы тепла, экзотермические химические реакции и др.

Нагреватель 43 и рекуператор 41 выполнены в виде сотовых панелей, содержащих наполнитель в виде набора пластин 51, 52 с мелкими рифлениями-гофрами, расположенными в смежных пластинах под углом друг к другу (см. фиг. 9). Набор пластин может быть изготовлен из плоского листа, на котором в развертке между линиями сгиба выполняются под одним углом ряды мелких гофр, затем лист (или полоса) изгибается зигзагообразно, сжимается до соприкосновения гофр и в соответствующих местах герметично соединяется (припаивается, сваривается и т.п.) с оболочкой теплообменника, в которой исполняются четыре группы отверстий для входа-выхода греющего и нагреваемого теплоносителей. С рекуператором и впускным окном последовательно соединен холодильник 53, охлаждаемый внешней средой, например, потоком воздуха, забортной водой и др.

Грани трехгранного ротора 54 выполнены без выемок и образованы не цилиндрическими поверхностями, а по внутренней сгибающей. В корпусе между нагнетательными и наполнительными окнами 36, 40 целесообразна установка дополнительного радиального уплотнения 55, которое может быть выполнено или в виде подпружиненной пластины Т-образного сечения или в виде круглого стержня (см. фиг. 12), установленного с возможностью вращения в канавке 57, расстояние между внешними кромками которой меньше диаметра стержня (для фиксации стержня в канавке).

Изображенный на фиг. 9 двигатель внешнего нагрева (ДВН) может быть преобразован в двигатель внутреннего сгорания (ДВС), для этого достаточно нагреватель выполнить (подобно варианту на фиг. 1) в виде камеры сгорания с топливной форсункой, а впускные и выпускные окна 34, 35 соединить с внешней атмосферой.

Действует двигатель следующим образом. Через впускные окна 34 происходят наполнение рабочих камер охлажденным в холодильнике 53 газом, сжатие его с вытеснением через клапан 37 и подогревом теплом выпускных газов в рекуператоре 41, дополнительным нагревом в нагревателе 43 от теплогенератора 47, выпуск нагретого газа через наполнительные окна 40 в камеры расширения, выпуск отработавшего газа через окна 35 и канал 44 в греющий тракт рекуператора 41 и далее через патрубок 56 - в холодильник.

IV. Нагреватель

Известен нагреватель двигателя внешнего сгорания Стирлинга [4], содержащий теплообменные секции с нагреваемым теплоносителем, циркулирующим в рабочем двигателе тракте двигателя и секции с греющим теплоносителем в виде жаровой трубы, соединенной с камерой сгорания, снабженной топливной горелкой. В горелке образуется горючая смесь с коэффициентом избытка воздуха = 0,8. ..0,9, которая хорошо воспламеняется и устойчиво горит. Продукты сгорания имеют чрезмерно высокую температуру, которая превышает термостойкость теплообменных деталей нагревателя, поэтому продукты сгорания смешиваются в жаровой трубе с потоком вторичного воздуха, в результате температура греющего теплоносителя снижается до приемлемой величины. После выхода из нагревателя продукты сгорания имеют значительную температуру и поступают в дополнительный противоточный теплообменник, где передают тепло воздуху, поступающему в горелку. Тем не менее на выходе из теплообменника продукты сгорания имеют существенную температуру из-за неполной утилизации тепла, причем потери тепла пропорциональны расходу воздуха. Целью настоящего изобретения является повышение топливной экономичности и уменьшение массы и габаритов двигателя путем многократного снижения расхода вторичного воздуха и снижения массогабаритных параметров дополнительного теплообменника. Цель достигается сжиганием топлива в нескольких последовательно соединенных секциях, при котором коэффициент избытка воздуха в последней секции минимален и приближается к = 1.

На фиг. 13 изображена конструктивная схема нагревателя.

Нагреватель содержит секции греющего теплоносителя 60, 61, 62, снабженные горелками 63, 64, 65 с топливопроводами 66 и соединенные между собой последовательно.

Внутри секций греющего теплоносителя расположены секции 67, 68, 69 нагреваемого теплоносителя, соединенные параллельно. На фиг. 13 изображен теплообменник типа "труба в трубе", практически предполагается пластинчатое исполнение согласно фиг. 11.

Первичный воздух подводится к горелке 63, после сгорания при ~ 0,9 он смешивается со вторичных воздухом, температура продуктов сгорания понижается до оптимальной величины, например, до 1000 K при ~ 3; эта смесь проходит тракт секции 60 и отдает тепло нагреваемому теплоносителю в секции 67. На выходе перед горелкой 64 смесь имеет температуру 600 K, горелка обеспечивает ее дожигание и повышение температуры снова до оптимальной (1000 K), при этом коэффициент избытка воздуха уменьшается. Очевидно, выбором числа секций можно обеспечить многократное дожигание и снижение коэффициента до 1, при этом будут обеспечены минимальные расход воздуха и сопутствующие ему топливные потери, низкое содержание токсичных компонентов в выхлопных газах.

V. Газотурбинный двигатель

Известен газотурбинный двигатель [5], содержащий центробежный компрессор, камеру сгорания, компрессорную и тяговую турбины, причем крыльчатка компрессора и компрессорная турбина расположены на одном валу. Двигатель положительно отличается малыми габаритами и массой, недостаток его - низкая топливная экономичность. Целью настоящего изобретения является повышение экономичности газотурбинного двигателя путем реализации в нем предложенного способа работы.

На фиг. 14 изображен поперечный разрез центробежного компрессора двигателя, содержащего рабочее колесо с радиальными лопастями 70, установленное на валу 71, диффузор с лопатками 72 и воздухосборник 73. Лопатки диффузора выполнены пустотелыми, внутренние полости их имеют у внешних концов входные окна 74, соединенные с выпускным трактом тяговой турбиной, и выходные окна 75, которые сообщены с внешней атмосферой. Подобным образом могут быть исполнены и лопасти рабочего колеса, компрессор может быть многоступенчатым с высокой степенью повышения давления. Предложение принципиально применимо и в компрессорах осевого типа, где неподвижные спрямляющие лопатки и рабочие лопатки на роторе выполняются пустотелыми с окнами входа и выхода греющего теплоносителя, отбираемого из выпускного тракта тяговой турбины. Устройства для подвода теплоносителя во внутренние полости рабочих лопаток могут быть использованы известного типа, например, подобные системам воздушного охлаждения лопаток газовых турбин.

При работе газотурбинного двигателя в окна 74 поступают горячие газы из выпускного тракта тяговой турбины, они обтекают внутренние поверхности полостей лопаток 72, передают в противоточном режиме тепло газу, сжигаемому в рабочем тракте компрессора, и выпускаются в атмосферу через окна 75.

Таким образом, диффузор компрессора выполняет функции теплообменника-рекуператора и обеспечивает повышение КПД двигателя.

Наиболее полные решения задачи содержат варианты устройств, изображенные на фиг. 16 - 20. Вариант на фиг. 16 содержит цилиндры 1 с поршнями 2, крышку 3 с выпускным клапаном 5, камеру сгорания 6 с топливной форсункой 8, регенератор 10 кольцевой формы, "холодным" окном которого является внутренний канал, соединенный в процессе сжатия с рабочей полостью цилиндра через клапан 78, а в процессе выпуска - через клапан 5 с выпускным каналом 14. "Горячим" окном регенератора является его внешняя (периферийная) поверхность, соединенная окружным каналом с отверстием 79, коммутируемым клапаном 80, установленным на оси 81, снабженной приводом, например, от распределительного кулачкового вала через толкатель 82 и рычаг 83. Регенератор может быть выполнен из набора сетчатых или пластинчатых гофрированных шайб, он может быть изготовлен также намоткой из тонкой (0,02...0,05 мм) жаропрочной проволоки. Нагреватель (камера сгорания) соединена с полостью цилиндра 13 каналом 17, который в процессе сжатия перекрыт клапаном-задвижкой 28 и открыт в процессах сгорания, расширения и выпуска.

В крышке 3 выполнен ряд расположенных по окружности отверстий 84, закрытых кольцом 85 из листового материала (сталь, титан, углепластик) толщиной ~ 0,2 мм, кольцо открывает отверстия при разрежения всасывания, т.е. является впускным обратным клапаном.

Ход кольца ограничен уступом 86 в расточке крышки или цилиндра.

Вариант, изображенный на фиг. 17 - 20, характеризуется устройством газораспределения "горячего" окна регенератора в виде золотникового клапана 87, снабженного приводом вращательного движения, синхронного распредвалу. Нагреватель 43 выполнен с внешним подводом тепла подобно варианту на фиг. 9 и 11, однако он может быть исполнен и в виде камеры сгорания 6 на фиг. 16.

Двигатель, соответствующий фиг. 16, действует следующим образом. При ходе поршня 2 вниз в рабочей полости 13 создается разрежение, которое открывает впускной обратный клапан 85, осуществляется наполнение цилиндра воздухом. Вблизи НМТ открывается клапан 78, закрывается клапан 28 в процессе сжатия воздушный заряд пропускается через регенератор 10 и открытый клапан 80 в камеру сгорания. Вследствие интенсивного нагрева воздуха в регенераторе показатель политропы превышает показатель адиабаты (он имеет величину порядка 1,9), давление быстро растет. Около ВМТ закрываются клапаны 78, 80, открывается клапан 28, осуществляется впрыск топлива через форсунку 8, происходят сгорание смеси и увеличение давления в несколько раз. При ходе поршня вниз происходит расширение газа и после падения давления до величины меньше давления в камере регенератора перепадом давления или толкателем 82 открывается клапан 80 и начинается расширение нагретого воздуха из камеры регенератора в рабочую полость цилиндра. В этом процессе адиабатическое снижение температуры существенно скомпенсировано подогревом рабочего тела в регенераторе, показатель политропы приближается к изотермическому, давление уменьшается относительно медленно, увеличивается мощность на валу двигателя. По окончании расширения в НМТ открывается выпускной клапан 5, продукты сгорания пропускаются через регенератор, подогревают его и далее через выпускной тракт 14 поступают в турбокомпрессор наддува или в атмосферу.

Последовательность действия двигателя на фиг. 17...20 аналогична: вместо клапанов 28, 80 используется золотниковый клапан 87, газораспределение которого обеспечивает сжатие (фиг. 17), нагрев (фиг. 18), расширение (фиг. 19) и выпуск (фиг. 20) рабочего тела.

В роторно-поршневом двигателе (см. фиг. 9) при высокой степени повышения давления в нагревателе (преимущественно при исполнении его в виде камеры сгорания с форсункой) целесообразна установка обратного клапана между рекуператором и нагревателем (например, в канале 42) для устранения возможности заброса высокотемпературных газов в процессе сгорания из нагревателя обратно в рекуператор.

Источники информации

1. Патент России 2041360 6 F 01 C 1/00.

2. Патент России 2037636 6 F 02 C 1/04.

3. Архангельский В.М. и др. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение, 1977. - С. 548.

4. Алексеев В.П. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: Машиностроение, 1990. - С. 277.

5. Архангельский В.М. и др. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение, 1977. - С. 553.