RU2168031C1 - Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому - Google Patents
Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому Download PDFInfo
- Publication number
- RU2168031C1 RU2168031C1 RU2000111274/06A RU2000111274A RU2168031C1 RU 2168031 C1 RU2168031 C1 RU 2168031C1 RU 2000111274/06 A RU2000111274/06 A RU 2000111274/06A RU 2000111274 A RU2000111274 A RU 2000111274A RU 2168031 C1 RU2168031 C1 RU 2168031C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- cycle
- mixture
- expansion
- energy
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B75/00—Other engines
- F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B51/00—Other methods of operating engines involving pretreating of, or adding substances to, combustion air, fuel, or fuel-air mixture of the engines
- F02B51/04—Other methods of operating engines involving pretreating of, or adding substances to, combustion air, fuel, or fuel-air mixture of the engines involving electricity or magnetism
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
- Nitrogen And Oxygen Or Sulfur-Condensed Heterocyclic Ring Systems (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение экономичности за счет повышения термического КПД термодинамического цикла двигателя. Способ осуществляется путем сжатия свежего заряда, подачи его в камеру предварительной обработки, перепуска рабочей смеси в рабочую камеру и расширительную полость, воспламенения, преобразования рабочей смеси и расширения продуктов реакции с целью совершения полезной работы. При этом в качестве камеры предварительной обработки используют плазмотрон холодной плазмы пространственно-временного принципа действия с возможностью образования в нем неравновесной плазмы, способной к рекомбинации на детонационных скоростях процесса. Плазму из плазмотрона перепускают с возможностью ее самовоспламенения в расширительную полость повторяющимися последовательными порциями за время одного цикла расширения, а процесс сгорания осуществляют в режиме объемного взрыва с детонационными скоростями, причем процесс подачи порций плазмы регулируют по частоте повторения циклов пропорционально расходу подаваемой в плазмотрон смеси. 2 з.п.ф-лы, 10 ил.
Description
1. Название изобретения.
Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому.
2. Область техники, к которой относится изобретение.
Двигатели внутреннего сгорания, преобразующие тепловую энергию сгорания топлива в полезную работу, например, поступательно движущегося поршня с последующим переводом этого движения во вращательное на выходном валу двигателя, которое осуществляется с помощью любых традиционных кинематических механизмов, например, кривошипно-шатунного, реечного, храпового и др.
3. Уровень техники.
Любой процесс преобразования тепловой энергии в полезную работу можно представить в общем виде, состоящим из трех основных функциональных частей:
3.1. Источника потенциальной энергии - вещества, в котором природа запечатала в "холодном" виде частичку своего энергетического потенциала. Это любое твердое, жидкое или газообразное топливо ископаемого происхождения или продукты его целевой технологической переработки.
3.1. Источника потенциальной энергии - вещества, в котором природа запечатала в "холодном" виде частичку своего энергетического потенциала. Это любое твердое, жидкое или газообразное топливо ископаемого происхождения или продукты его целевой технологической переработки.
3.2. Процесса организации перехода потенциальной энергии исходного вещества в кинетическую энергию упругопространственного состояния продуктов реакции, т. е. процесс сгорания топлива соответствующей теплотворной способности с образованием горячих газообразных теплосодержащих продуктов сгорания - рабочего тела.
3.3. Конструктивного механизма, обеспечивающего техническое осуществление функции 2), взаимодействие с упругосиловым полем продуктов реакции тепловыделения и преобразование интеграла этого силового взаимодействия в полезную работу поступательного или вращательного движения движителя.
3.4. Классическая термодинамика трактует, что из всех циклов, осуществляемых в заданном температурном диапазоне T1-T2, цикл Карно имеет наивысший термический коэффициент полезного действия ητ (КПД)
ητ = 1-T1/T2. (1)
Из этого следует общеизвестный вывод о том, что путь повышения эффективности тепловых двигателей и тепловых машин состоит в приближении их реальных циклов к циклу Карно, т.е. необходимость осуществления процессов подвода и отвода тепла изотермически.
ητ = 1-T1/T2. (1)
Из этого следует общеизвестный вывод о том, что путь повышения эффективности тепловых двигателей и тепловых машин состоит в приближении их реальных циклов к циклу Карно, т.е. необходимость осуществления процессов подвода и отвода тепла изотермически.
Однако на практике подводить и отводить теплоту удобно, а в некоторых случаях только и возможно, при постоянном давлении. Это особенно ясно видно в случае отвода теплоты в окружающую атмосферу, имеющую практически постоянное давление.
В тех случаях, когда рабочее тело претерпевает в процессе цикла фазовые превращения, что имеет место в паросиловых установках ПСУ, подвод или отвод теплоты на тех участках цикла, где рабочее тело находится в виде влажного или перегретого пара, осуществляется изотермически вследствие совпадения условий P=const; T=const.
Теоретически приближение цикла тепловой машины к циклу Карно может осуществляться двумя способами.
Первый - использует механизм фазовых переходов рабочего тела (двухфазные или многофазные) и второй, использующий только однофазное состояние рабочего тела, т. е. газовое, с приближением к изотермическому путем чередующихся порций последовательного подвода теплоты при P=const и последующим адиабатным расширением в небольшом интервале давлений.
Чем больше частота подачи порций теплоты, тем ближе, представляющая собой пилообразную линию, кривая процесса к изотерме.
Теоретические основы классической термодинамики, анализ тенденций и путей оптимизации теплового цикла давно дали ответ на вопрос "что?" надо делать, чтобы коренным образом повысить эффективность теоретического цикла.
Эти тенденции сводятся к необходимости минимизации степени необратимости цикла и работы сжатия рабочего тела, манипуляциям физическими свойствами рабочего тела и к расширению располагаемого температурного интервала, т.е. "наращивание" его вверх и, наконец, рациональная организация процессов регенеративного теплообмена внутри цикла.
Однако на вопрос "как?" технически, комплексно реализовать эти теоретические рекомендации в практике двигателестроения, ответа пока не найдено.
И действительно, можно с уверенностью свидетельствовать, что процесс совершенствования циклов тепловых двигателей за последние 100 лет не содержит координальных решений и состоит из множества частных технических мероприятий и усовершенствований. Уровень основных технических выходных характеристик современных двигателей внутреннего сгорания класса до 250 кВт, представлен в аналитическом обзоре [1, 7], Таблица N 1.
3.5. Двигатели внутреннего сгорания.
Известны тепловые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых функции теплоотдатчика и рабочего тела совмещены. Такие тепловые машины осуществляют преобразование химической энергии топлива в полезную работу в результате управляемых реакций тепловыделения при сгорании топливовоздушной углеводородной смеси в камере сгорания такого двигателя при постоянным объеме (V = const). Например, поршневые или роторные бензиновые ДВС схемы Отто, с воспламенением смеси от электрического источника. Также широко применяется схема Дизеля с воспламенением тяжелых углеводородных топлив, впрыскиваемых в воздух, который нагревается в результате поршневого сжатия в камере сгорания цилиндра двигателя до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива [2].
3.5.1. Эффективность технического использования любой тепловой машины, в частности ДВС, характеризуется величиной эффективного коэффициента полезного действия ηe, который равен произведению коэффициентов полезного действия частных процессов цикла, соответственно, термического ηt, камеры сгорания -ηce, внутреннего относительного ηoi и механического ηm:
ηe = ηtηceηoiηm (2)
Основным из всего набора коэффициентов является термический КПД ηt, который для цикла с подводом теплоты при V=const зависит только от величины степени сжатия рабочей смеси в цилиндре ε = V1/V2 или, эквивалентно, от степени повышения давления в процессе сжатия смеси β = P2/P1, а также показателя адиабаты K = Cp/Cv, где Cp и Cv - теплоемкость топливной смеси при постоянном давлении и объеме, соответственно
где, как показано на фиг. 1:
V1 - начальный объем цилиндра;
V2 - объем камеры сгорания;
P1 - начальное давление в цилиндре;
P2 - конечное давление в конце сжатия в цилиндре;
K - показатель адиабаты процесса сжатия топливовоздушной смеси в цилиндре;
На фиг. 2 и 3 представлены классические расчетно-теоретические зависимости (по формулам (3) - (4) термического коэффициента полезного действия ηt; ηe= f(ε,k) цикла V=const ДВС, на которых обозначены предельные, ограничительные уровни и области параметров традиционных тепловых двигателей такой схемы.
ηe = ηtηceηoiηm (2)
Основным из всего набора коэффициентов является термический КПД ηt, который для цикла с подводом теплоты при V=const зависит только от величины степени сжатия рабочей смеси в цилиндре ε = V1/V2 или, эквивалентно, от степени повышения давления в процессе сжатия смеси β = P2/P1, а также показателя адиабаты K = Cp/Cv, где Cp и Cv - теплоемкость топливной смеси при постоянном давлении и объеме, соответственно
где, как показано на фиг. 1:
V1 - начальный объем цилиндра;
V2 - объем камеры сгорания;
P1 - начальное давление в цилиндре;
P2 - конечное давление в конце сжатия в цилиндре;
K - показатель адиабаты процесса сжатия топливовоздушной смеси в цилиндре;
На фиг. 2 и 3 представлены классические расчетно-теоретические зависимости (по формулам (3) - (4) термического коэффициента полезного действия ηt; ηe= f(ε,k) цикла V=const ДВС, на которых обозначены предельные, ограничительные уровни и области параметров традиционных тепловых двигателей такой схемы.
Можно видеть, что практический диапазон изменения параметров ε, K крайне узок и для дальнейшего повышение ηt более 45-50%, а ηe более 35-45% все возможности энергетики традиционных топлив и термодинамических процессов исчерпаны.
3.5.2. Сочетание средних скоростей перемещения волны горения (скорости тепловыделения) смеси в цилиндре ДВС и перемещения поршня в процессе такта рабочего хода.
Основой для связи этих двух параметров является тот факт, что в любом ударно-волновом процессе (а горение есть волна сжатия малой интенсивности) максимальная эффективность энергопередачи на границе сред газ-поверхность достигается в том случае, если скорость перемещения волны и поршня (поверхности) одного направления и близки по величине, т.е., говоря иными словами, волна сжатия, совпадающая с фронтом распространения волны горения, "сидит" на поршне.
На основе общих соображений можно установить связь между скоростью горения смеси в цилиндре V, величиной рабочего хода поршня S, оборотами коленчатого вала ДВС n:
n = 30•(V/S). (5)
В расчетной таблице (фиг. 4) диапазон выбранных значений V и S примерно соответствует используемому на практике. Меньшие значения скоростей горения соответствуют бензиновым ДВС, большие - дизельным.
n = 30•(V/S). (5)
В расчетной таблице (фиг. 4) диапазон выбранных значений V и S примерно соответствует используемому на практике. Меньшие значения скоростей горения соответствуют бензиновым ДВС, большие - дизельным.
При конструировании автомобильных бензиновых карбюраторных двигателей с ориентацией на уменьшение хода поршня и увеличение оборотов вращения приводного вала в принципе означает увеличение частоты рабочих циклов с тенденцией увеличения скоростей сгорания смесей.
В связи с этим дальнейшая миниатюризация конструкции ДВС уже практически выбрана и ограничивается величинами оборотов 5000-9000 об/мин. А такая перспективная тенденция, как увеличение скорости сгорания смеси в камере сгорания двигателя, что определяет степень концентрации энергии и уровень снижения потерь, не может быть реализована, т.к. увеличение скорости горения до сотен, а тем более до тысяч м/сек требует вырождения масс движущихся частей механизма.
Например, для короткоходового ДВС увеличение скорости горения только в два раза, т.е. до 50 м/сек, уже потребует повышения оборотности двигателя до 25-30 тыс. об/мин, что при массах элементов кривошипно-шатунного механизма является вообще технически проблематичным.
К недостаткам принципа действия схемы и конструкции традиционных ДВС нужно отнести также следующее.
3.5.3. Нелогична схема, демонстрируемая на фиг. 5, приложения усилия действующего со стороны поршня на кривошип в окрестности верхней мертвой точки (+0 ~ 15 градусов), которое в этот момент максимально, но приходится в тот же момент на минимальное моментное плечо кривошипа (~ 10-15% радиуса кривошипа). К сожалению, более рациональная фаза максимальных радиусов кривошипа приходится на завершающую стадию падения давления расширенных и отработавших газов.
Поэтому все ДВС имеют низкую характеристику по крутящему моменту в районе малых оборотов, т.е. слабый момент страгивания, выходя на режим расчетного крутящего момента только при оборотах n = 30-50% от n = max.
Для существующих автомобильных ДВС - это ~ 3000-4000 об/мин.
Известно, что стремление повысить качество вентиляции цилиндров при зарядке их свежей смесью привело к созданию четырехтактного цикла ДВС. Однако на осуществление этих двух дополнительных ходов поршня необходимо затратить дополнительную энергию от общего запаса энергии цикла. В связи с этим целесообразно сократить количество вспомогательных тактов в цикле ДВС.
3.5.4. В результате вялой и низкой скорости (15-25 м/сек) протекания реакции горения смеси время релаксации к равновесному состоянию азотных окислов, окиси углерода и других вредных компонентов в составе отработанных продуктов сгорания значительно выше, чем время пребывания отработанных газов в цилиндре.
Поэтому принципиально невозможно в таких условиях обеспечить надежно высокую степень экологической безопасности традиционных ДВС и приходится прибегать к нейтрализации вредоносных компонентов техническими мероприятиями в трактах выхлопной системы двигателя.
3.6. Паросиловая установка.
Известны паросиловые установки (ПСУ) и двигатели схемы Стирлинга, в которых функции теплоотдатчика (продукты сгорания) и рабочего тела (жидкая, паровая или газовая фазы теплоносителя) разделены [2].
К недостаткам паросиловых установок следует отнести:
3.6.1. ПСУ имеет также невысокий термический КПД ητ < 40% даже для цикла с перегревом пара (цикл Ренкина) в диапазоне достигнутых сегодня температур перегрева до T2 ~ 600-650oC и давлений P ~ 150-200 атм.
3.6.1. ПСУ имеет также невысокий термический КПД ητ < 40% даже для цикла с перегревом пара (цикл Ренкина) в диапазоне достигнутых сегодня температур перегрева до T2 ~ 600-650oC и давлений P ~ 150-200 атм.
Эффективный КПД ПСУ существенно ниже ητ из-за больших потерь тепла в топочно-котельных и коммутационных агрегатах энергетической обработки рабочего тела.
3.6.2. Перспективы развития ПСУ ограничены, т.к. увеличение давления насыщенного водяного пара и его перегрев приводят к значительному утяжелению и удорожанию конструкции ПСУ с целью обеспечения эксплуатационной безопасности. Тем более это обстоятельство сдерживает применение ПСУ для маломасштабных, автономных, мобильных двигателей, например, автомобильных. Однако поршневая паросиловая схема имеет ряд принципиальных преимуществ по сравнению с ДВС:
- подвод и отвод тепла в цикле осуществляется изотермически,
- практически при нулевых оборотах мощность и крутящий момент (момент страгивания) максимальны. В связи с этим в механизме трансмиссии не требуется применение моментного вариационного устройства (коробки передач),
- экологическая чистота и низкая шумность собственно выхлопа,
- простота конструкции и высокая надежность цилиндрово-поршневых подвижных элементов в связи с невысокими температурами рабочего тела.
- подвод и отвод тепла в цикле осуществляется изотермически,
- практически при нулевых оборотах мощность и крутящий момент (момент страгивания) максимальны. В связи с этим в механизме трансмиссии не требуется применение моментного вариационного устройства (коробки передач),
- экологическая чистота и низкая шумность собственно выхлопа,
- простота конструкции и высокая надежность цилиндрово-поршневых подвижных элементов в связи с невысокими температурами рабочего тела.
4. Сущность изобретения.
Способ повышения энергетической эффективности цикла тепловой машины, т. е. термического коэффициента полезного действия ητ. В основу предлагаемого способа положены самые современные достижения физической науки:
1) закономерности нелинейной физики, изучающей явления и свойства энергообменных процессов в средах с нелинейными свойствами, т.е. в газовой неравновесной плазме [3] , новые способы генерации сильно неравновесной плазмы, способной к рекомбинации на детонационных скоростях,
2) основы термомеханики макро- и микромира - новой теории, обобщающей все виды энергосиловых природных взаимодействий [4].
1) закономерности нелинейной физики, изучающей явления и свойства энергообменных процессов в средах с нелинейными свойствами, т.е. в газовой неравновесной плазме [3] , новые способы генерации сильно неравновесной плазмы, способной к рекомбинации на детонационных скоростях,
2) основы термомеханики макро- и микромира - новой теории, обобщающей все виды энергосиловых природных взаимодействий [4].
3) основы геометродинамики, определяющей закономерности пространственно-временных траекторий развития энергообменных природных процессов.
4.1. Известен физико-химический механизм диссоциации насыщенных, устойчивых молекул вещества и переход их в результате эндотермической реакции в неравновесное, с ненасыщенными валентными и ковалентными связями, а также с образованием свободных радикалов, т.е. электрически нейтральных атомов с неустойчивым состоянием электронных оболочек.
Рекомбинация таких элементов в устойчивое первоначальное состояние, например, реакция релаксации атомарного водорода в устойчивую молекулу 2H → H2 сопровождается выделением большого количества тепла в размерах, превышающих примерно в пять раз теплотворную способность молекулярного водорода (равновесного). Наличие в продуктах реакции, например, углеводородного топлива, радикализованной фракции атомарного водорода с концентрацией в пределах около 10% уже выявляет существенное превышение энергетической эффективности такой смеси в сравнении с лучшими из унитарных химических топлив. Однако наивысшая стабильная концентрация свободных водородных радикалов, которую удается реализовать на практике, не превышает 1-2% [5].
4.2. Помимо атомарного водорода имеет место активная радикализация и других составляющих кинетических реакций углеводородов, в частности, с образованием углеводородных монорадикалов CnHm (CH, CO, OH и др.).
Особо надо отметить последние достижения в области синтеза углеводородных структур, а именно реакций карбенов-частиц, образующихся в результате разрыва кратных C= C и C=C связей. Такие частицы являются сильно энергетически возбужденными и получили в связи с этим название энергонасыщенных систем - "ЭНС" [6].
4.3. Большую перспективу имеет процесс активации одноатомных инертных газов, которые при определенном воздействии переходят в метастабильное состояние на электронно-протонном уровне и способны при возврате в первоначальное стабильное состояние выделять энергию, в несколько раз превышающую теплотворную способность унитарных топлив.
Например, энергоемкость E реакций восстановления He дает E = 117170 ккал/кг, Ne - 18830 ккал/кг, т.е., соответственно, в ~ 10 и ~ 2 раза выше калорийности унитарного углеводородного топлива.
Обычно традиционно, радикализация молекул осуществляется под действием высоких температур в реакторах "горячего" процесса (пиролизных, электроплазмотронных). Время жизни метастабильных структур мало и составляет мили-микро доли секунды. Поэтому они могут быть получены только в результате мгновенного приложения энергии активации и последующего быстрого охлаждения.
4.4. Автор открыл, обосновал теоретически и экспериментально геометродинамический механизм квантованного взаимодействия тонких неравновесных структур и на основе этого, создал реактор холодной плазмы (РХП) пространственно-временного принципа действия, который позволяет осуществлять управляемую спонтанно развивающуюся эндотермическую реакцию диссоциации в парогазовых однородных реакционноспособных средах (смеси), причем при нормальных атмосферных условиях и с ничтожной величиной энергии активации запуска этого процесса от электроразряда, составляющей только доли процента от выходной мощности плазмогенератора. Фотографии действующих натурных экспериментальных образцов РХП представлены на фиг. 6 - 8.
РХП пространственно-временного принципа действия осуществляет преобразование свежего заряда, например, унитарной топливной смеси (УТС), в топливную квазисмесь (ТКС), например, углеводородно-воздушная, кислородная композиция (например, газовая или жидкостная: бензины, керосины, дизтоплива, сырые нефти, спирты и т.д.). При этом возможно преобразование в плазму как всего, так и части расхода свежего заряда, состоящего из одного компонента или смеси.
Из РХП плазму перепускают в рабочую полость с возможностью ее самовоспламенения циклично, порциями в непрерывно управляемом с помощью электроимпульса частотном режиме, который устанавливается в зависимости от типа устройства, потребляющего ТКС. Например, в интересах ДВС на углеводородно-воздушных парогазовых смесях достаточен диапазон частот 2-500 Гц, в то время как для другого случая применения этот диапазон частот может быть расширен вплоть до ультразвукового уровня.
При этом в зоне, куда поступила ТКС, например, в камеру сгорания ДВС, рекомбинация ТКС протекает объемно, со скоростями детонационного уровня до 1000-3000 м/сек и выше, в зависимости от фазового состояния, смесевого состава и расхода компонентов смеси.
Таким образом, введение с помощью РХП дополнительной стадии преобразования стабильной структуры унитарных, например, углеводородных топлив (УТС), в метастабильное состояние (КТС), в несколько раз увеличивает потенциальное энергосодержание энергоотдатчика (классически - теплоотдатчика), решая проблему энергетики тепловых двигателей качественно новым способом.
Другой возможностью согласно настоящему патенту является прямое, непосредственное преобразование энергии плазмы в электрическую энергию путем организации процесса преобразования стабильной унитарной смеси в метастабильное плазменное состояние при возбуждении более глубокой степени электронной эмиссии в молекулярно-атомно-ионных структурах плазмы. Это достигается соответствующим пространственно-временным геометрическим профилированием рабочей камеры РХП с учетом молекулярной структуры исходного вещества, а также управлением частотой и мощностью активационного электроимпульса.
Возможность осуществления этого процесса технически и составляет основу данного изобретения.
РХП имеет внутриполостную конструктивную конфигурацию и функционирует в соответствии с геометродинамическими пространственно-временными закономерностями, определяющими истинную форму звуковой волны процесса, т.е. форму траекторий частиц в пространстве. Практически это соответствующее профилирование канала, в котором свежую смесь подвергают, по меньшей мере, однократному воздействию путем ее последовательного расширения и сжатия.
Из формулы (3) согласно классической термодинамики параметрами, определяющими энергетическую эффективность цикла, являются степень сжатия ε = V1/V2 или, что то же, степень повышения давления в камере сгорания двигателя в процессе сжатия смеси β = P2/P1 и показатель адиабаты процесса сжатия K = Cp/Cv.
В принципе процесс сжатия осуществляется с целью а) сокращения длины свободного пробега молекул свежего заряда топливных и окислительных компонентов газовой смеси, находящихся в хаотичном броуновском движении, и б) увеличения количества их кинетических столкновений. При этом молекулы, участвующие во взаимодействии, находятся в устойчивом, насыщенном, неактивном состоянии.
Такая смесь - УТС - содержит, например, стехиометрическое соотношение топлива и окислителя из обычных газовых или жидких унитарных компонентов.
Классический способ сжатия состоит в механическом уменьшении объемного пространства при постоянстве количества заключенного в нем молекулярных N компонентов УТС (N= const. ). Физически - это процесс увеличения плотности газовой среды согласно простого соотношения
ρ = Nconst/Vvar. (6)
Известно, что величина свободного пробега молекул в газе при нормальных атмосферных условиях лежит в пределах 10-7-10-8 см, т.е. одного ангстрема. Следовательно, механическое сжатие смеси в 10-20 раз, например в ДВС, может сократить пространственный масштаб свободного кинетического взаимодействия частиц только в пределах одного порядка величин. При этом по мере приближения к верхнему пределу механической степени сжатия увеличивается число газокинетических столкновений молекул (растет температура смеси), возрастает эффективная площадь реакции, что сопровождается возникновением сначала отдельных центров энерговыделения, которые, множась и накапливаясь, при определенных условиях взрывоподобно переходят в лавинную спонтанную реакцию высокоскоростного, вплоть до детонационного сгорания по всему массиву компонентов смеси. В этом и состоит суть предела детонационной стойкости углеводородного топлива, который наблюдается при функционировании бензиновых ДВС.
ρ = Nconst/Vvar. (6)
Известно, что величина свободного пробега молекул в газе при нормальных атмосферных условиях лежит в пределах 10-7-10-8 см, т.е. одного ангстрема. Следовательно, механическое сжатие смеси в 10-20 раз, например в ДВС, может сократить пространственный масштаб свободного кинетического взаимодействия частиц только в пределах одного порядка величин. При этом по мере приближения к верхнему пределу механической степени сжатия увеличивается число газокинетических столкновений молекул (растет температура смеси), возрастает эффективная площадь реакции, что сопровождается возникновением сначала отдельных центров энерговыделения, которые, множась и накапливаясь, при определенных условиях взрывоподобно переходят в лавинную спонтанную реакцию высокоскоростного, вплоть до детонационного сгорания по всему массиву компонентов смеси. В этом и состоит суть предела детонационной стойкости углеводородного топлива, который наблюдается при функционировании бензиновых ДВС.
Для тепловой машины, использующей топливную квазисмесь (ТКС), уравнения (2) и (3), определяющие связь термического (энергетического) коэффициента полезного действия с показателем адиабаты K и степенью сжатия ε рабочей среды цикла V=const, остаются неизменными.
Согласно термомеханической теории [5] параметр K = Cp/Cv = 2 E/П, где E - кинетическая, а П - потенциальная энергии, является количественной мерой взаимопревращаемости кинетической и потенциальной энергии в волновом адиабатном процессе распространения звука в веществе. В классической термодинамике - этот аналогичный по смысловому содержанию показатель адиабаты адиабатного процесса расширения или сжатия газовой среды без энергообмена ее с внешней средой.
Преобразование в РХП УТС в ТКС означает процесс смещения энергетического состояния вещества (компонентов смеси) в диапазон тонких квантованных структур, что, как известно, имеет тенденцию увеличения показателя K вплоть до K=2.
В условиях постоянства объемного пространства (V=const) эмиссионный процесс холодного плазмообразования сопровождается увеличением количества частиц тонкой структуры, что соответствует увеличению плотности плазмы по сравнению с исходной молекулярный плотностью в сотни и тысячи раз, т.е. на несколько порядков
ρ = (N/h)var/Vconst, (7)
где h - постоянная Планка.
ρ = (N/h)var/Vconst, (7)
где h - постоянная Планка.
Таким образом, с помощью нового геометродинамического механизма организации внутримолекулярного взаимодействия элементов тонкой структуры вещества, вплоть до уровня 10-34 Дж/сек, можно управлять глубиной преобразования стабильного состояния вещества в метастабильное с одновременным повышением его энергосодержания, что характеризуется возрастанием параметра K и плотности холодной плазмы ρ, а следовательно, и степени сжатия ε, в широких пределах, осуществляемой теперь уже механизмом внутримолекулярного сжатия.
При этом эффект от традиционного способа механического сжатия становится малоощутимым и перестает быть ограничительным. Возможности способа демонстрируются строгим сравнительным теоретическим расчетом, представленным на фиг. 9, 10 графиком зависимости
ητ= f(k,ε).
Таким образом, сущность изобретения содержит в себе следующее:
1. В понятийном смысле новые научные подходы, которые, не вступая в противоречие с фундаментальными основами термодинамики и физико-химической кинетической теории горения, а основываясь на них, позволяют обосновать реальность взаимной интеграции широко используемых сегодня практикой двух тепловых циклов, в один цикл, а именно:
- цикл ДВС, в котором однофазное рабочее тело с низкой упругостью молекулярной структуры, совмещающее в себе функции теплоотдатчика и теплоприемника, и
- цикл паросиловой установки, в котором преобразование теплоты в работу осуществляется изотермически, но теплоотдатчик в виде горячих топочных газов и многофазное рабочее тело с высокой упругостью фазового состояния разделены.
ητ= f(k,ε).
Таким образом, сущность изобретения содержит в себе следующее:
1. В понятийном смысле новые научные подходы, которые, не вступая в противоречие с фундаментальными основами термодинамики и физико-химической кинетической теории горения, а основываясь на них, позволяют обосновать реальность взаимной интеграции широко используемых сегодня практикой двух тепловых циклов, в один цикл, а именно:
- цикл ДВС, в котором однофазное рабочее тело с низкой упругостью молекулярной структуры, совмещающее в себе функции теплоотдатчика и теплоприемника, и
- цикл паросиловой установки, в котором преобразование теплоты в работу осуществляется изотермически, но теплоотдатчик в виде горячих топочных газов и многофазное рабочее тело с высокой упругостью фазового состояния разделены.
В результате осуществления такого симбиоза циклов снимаются все принципиальные понятийные и технические препятствия в осуществлении на практике качественно нового универсального термодинамического цикла, в соответствии с которым процесс преобразования энергии вещества (тепло-энергоотдатчика) в полезную работу уверенно переходит в область энергетической эффективности тепловой машины, например ДВС, свыше 50-70% с последующей системной перспективой совершенствования этого цикла и самих машин сколь угодно близко по эффективности к теоретическому идеальному циклу Карно.
2. В прикладном смысле обоснована возможность технических решений по созданию устройств, например ДВС, которые, будучи оснащенными РХП и системой регулирования частотой детонационного процесса, реализуют энергетику физического процесса спонтанной эндотермической динамической реакции при использовании исходной равновесной реакционноспособной аэрозольной, паровой или газовой смеси из любых вещественных композиций, например, углеводородно-воздушных.
3. Принципиальные и частные решения, в том числе содержащие комбинации общепринятых практикой, в части устройств и их элементов, выполняющих функцию восприятия и интегрирования силового импульса со стороны упругого рабочего тела, а также кинематических механизмов, преобразующих интеграл этого воздействия в потребительское поступательное или вращательное движение. То же можно сказать и по отношению к техническим устройствам, органически обеспечивающим вспомогательные операции при функционировании тепловой машины как энергосиловой установки в целом, например, системы электропитания, приготовления и подачи топливных компонентов, оптимизации управления, запуска и т.д.
Литература
1. Бурячко В.Р. "Состояние и основные направления развития зарубежного двигателестроения", ГАБТУ МО РФ, Санкт-Петербург, 1998 г.
1. Бурячко В.Р. "Состояние и основные направления развития зарубежного двигателестроения", ГАБТУ МО РФ, Санкт-Петербург, 1998 г.
2. Вукалович М.П., Новиков И.И. "Термодинамика", Москва, "Машиностроение", 1972 г.
3. Кернер Б.С., Осипов В.В. "Автосолитоны-локализованные сильно-неравновесные области в однородных диссипативных системах", Москва, "Наука", 1991 г.
4. Горячко И. Г. "Термомеханика макро- и микромира", С-Петербург, Петровская Академия Наук и Искусств, 1997 г.
5. М. Баррер. "Реактивные двигатели", Оборонгиз, Москва, 1962 г., стр. 60-65.
6. Попов В. Т. , Пушкин Р.М., Словецкий и др. "Разработка программного комплекса для численного моделирования энергонасыщенных сред (ЭНС) на базе углеводородных горючих с воздухом", НТО N 9208, НПФ "Простор", г.Красноармейск М.Обл., 1992 г.
7. Сборник научных докладов Международного совещания по использованию энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) в экологии, машиностроении, энергетике, транспорте и в космосе. Москва, ИМАШ РАН, 1999 г.
Claims (3)
1. Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому, включающий сжатие свежего заряда, подачу его в камеру предварительной обработки, перепуск рабочей смеси в рабочую камеру и расширительную полость, воспламенение, преобразование рабочей смеси и расширение продуктов реакции с целью совершения полезной работы, отличающийся тем, что в качестве камеры предварительной обработки используют плазмотрон холодной плазмы пространственно-временного принципа действия с возможностью образования в нем неравновесной плазмы, способной к рекомбинации на детонационных скоростях процесса, плазму перепускают с возможностью ее самовоспламенения в расширительную полость повторяющимися последовательными порциями за время одного цикла расширения, а процесс сгорания осуществляют в режиме объемного взрыва с детонационными скоростями, причем процесс подачи порций плазмы регулируют по частоте.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одну часть свежего заряда направляют в рабочую камеру, а другую часть свежего заряда подают в плазмотрон, после чего смешивают часть свежего заряда с неравновесной плазмой с образованием рабочей смеси.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для образования холодной плазмы используют эндотермическую реакцию газовой смеси поступившего в плазмотрон заряда, управление реакцией осуществляют путем геометрического профилирования канала, по которому движется плазма, а при движении потока плазмы ее подвергают, по меньшей мере, однократному воздействию путем ее последовательного расширения и сжатия.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000111274/06A RU2168031C1 (ru) | 2000-05-11 | 2000-05-11 | Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому |
PCT/RU2001/000186 WO2001086129A1 (fr) | 2000-05-11 | 2001-04-28 | Procede et dispositif pour la realisation d'un cycle thermodynamique s'approchant d'un cycle isothermique |
AU64450/01A AU6445001A (en) | 2000-05-11 | 2001-04-28 | Method for performing a thermodynamic cycle approximated to an isothermic cycle and a device for carrying out said method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000111274/06A RU2168031C1 (ru) | 2000-05-11 | 2000-05-11 | Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2168031C1 true RU2168031C1 (ru) | 2001-05-27 |
Family
ID=20234280
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000111274/06A RU2168031C1 (ru) | 2000-05-11 | 2000-05-11 | Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU6445001A (ru) |
RU (1) | RU2168031C1 (ru) |
WO (1) | WO2001086129A1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2455507C1 (ru) * | 2011-02-18 | 2012-07-10 | Александр Фроимович Равич | Способ осуществления рабочего цикла и устройство пульсирующего двигателя внутреннего сгорания |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS50144816A (ru) * | 1974-05-13 | 1975-11-20 | ||
JPS51138223A (en) * | 1975-05-27 | 1976-11-29 | Nissan Motor Co Ltd | Gas generator |
US4672938A (en) * | 1985-12-26 | 1987-06-16 | Eaton Corporation | Method and apparatus for multiphasic pretreatment of fuel to achieve hypergolic combustion |
RU2051289C1 (ru) * | 1992-05-29 | 1995-12-27 | Николай Владимирович Ветчинкин | Способ приготовления топливовоздушной смеси для двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления |
RU2049243C1 (ru) * | 1994-04-08 | 1995-11-27 | Евгений Александрович Сердюк | Силовая установка |
-
2000
- 2000-05-11 RU RU2000111274/06A patent/RU2168031C1/ru active
-
2001
- 2001-04-28 AU AU64450/01A patent/AU6445001A/en not_active Abandoned
- 2001-04-28 WO PCT/RU2001/000186 patent/WO2001086129A1/ru active Application Filing
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2455507C1 (ru) * | 2011-02-18 | 2012-07-10 | Александр Фроимович Равич | Способ осуществления рабочего цикла и устройство пульсирующего двигателя внутреннего сгорания |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
AU6445001A (en) | 2001-11-20 |
WO2001086129A8 (fr) | 2002-03-07 |
WO2001086129A1 (fr) | 2001-11-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Klein | An explanation for observed compression ratios in internal combustion engines | |
Guo et al. | Review of recent advances of free-piston internal combustion engine linear generator | |
Hou | Comparison of performances of air standard Atkinson and Otto cycles with heat transfer considerations | |
US8082892B2 (en) | High efficiency integrated heat engine-2 (HEIHE-2) | |
Chen et al. | Power density performances and multi-objective optimizations for an irreversible Otto cycle with five specific heat models of working fluid | |
Guo et al. | Advances in free-piston internal combustion engines: A comprehensive review | |
Bai et al. | Study on methane HCCI combustion process of micro free-piston power device | |
Gonca et al. | Performance analysis and simulation of a diesel-miller cycle (DiMC) engine | |
MXPA03009841A (es) | Metodo de conversion plasma catalitica de combustibles susceptibles de ser utilizados en un motor de combustion interna o turbina de gas en gas sintetico y el conversor plasma catalitico para su realizacion. | |
EP1196682A1 (en) | Phase change heat engine | |
Chen et al. | Thermodynamic optimization criterion for practical Meletis–Georgiou cycle | |
US4020798A (en) | Internal combustion engine fueled by NaK | |
Karimi et al. | Exergy destruction and chemical irreversibilities during combustion in spark-ignition engine using oxygenated and hydrocarbon fuels | |
RU2168031C1 (ru) | Способ осуществления термодинамического цикла, приближенного к изотермическому | |
AU2295100A (en) | Plasma transformer for the transformation of fossil fuels into hydrogen-rich gas | |
Chen et al. | Work output and thermal efficiency optimization for an irreversible Meletis-Georgiou cycle with heat transfer loss and internal irreversibility | |
Jin et al. | Thermodynamic and chemical analysis of the effect of working substances on the Argon Power Cycle | |
US20110061612A1 (en) | Space engine including the haase cycle with energy recovery cooling | |
Hafiz et al. | Numerical study of hydrogen fuel combustion in compression ignition engine under argon-oxygen atmosphere | |
CA1110856A (en) | Engine operated by a non-polluting recyclable fuel | |
Kavtaradze | Improving the ecological indices of a hydrogen diesel engine with direct gaseous hydrogen injection | |
Yunus et al. | Design, manufacture and measurements of beta-type stirling engine with rhombic drive mechanism | |
Kamaltdinov | Combustion process modeling in HCCI engine | |
Maamri et al. | Development of external combustion engine | |
Cakir | The numerical thermodynamic analysis of otto-miller cycle |