RU2263799C2 - Method of operation of heat internal combustion engine and device for implementing the method - Google Patents
Method of operation of heat internal combustion engine and device for implementing the method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2263799C2 RU2263799C2 RU2003133066/06A RU2003133066A RU2263799C2 RU 2263799 C2 RU2263799 C2 RU 2263799C2 RU 2003133066/06 A RU2003133066/06 A RU 2003133066/06A RU 2003133066 A RU2003133066 A RU 2003133066A RU 2263799 C2 RU2263799 C2 RU 2263799C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- fuel
- engine
- expansion
- compression
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области тепловых двигателей внутреннего сгорания (ТД) с выходным валом отбора мощности. Оно может быть использовано в различных по назначению стационарных и транспортных силовых установках, в том числе, например, в автомобилях.The invention relates to the field of internal combustion engine (TD) with an output power take-off shaft. It can be used in various purpose stationary and transport power plants, including, for example, in cars.
Тепловой двигатель (ТД) - двигатель, в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Для работы ТД используют химические природные энергетические ресурсы. ТД подразделяются на поршневые двигатели (объемные устройства), роторные двигатели (комбинированные устройства) и реактивные двигатели (лопаточные устройства). Возможны комбинации этих типов двигателей. По способу подвода теплоты для нагрева рабочего тела ТД подразделяются на двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых процессы сгорания топлива и преобразования теплоты в механическую работу происходят в одних и тех же полостях ТД, и двигатели внешнего сгорания, в которых рабочее тело получается вне самого ТД в специальных устройствах (двигатель Стирлинга, пароваямашина). Совершенство работы ТД характеризуется рядом коэффициентов полезного действия (к.п.д.). Термический к.п.д. не зависит от свойств рабочего тела и определяет отношение полезно использованной в цикле теплоты (эквивалентной полученной работе) ко всему количеству теплоты, затраченной на цикл. Совершенство теплового процесса оценивается индикаторным к.п.д. и определяет отношение количества теплоты, эквивалентного индикаторной работе, ко всему количеству теплоты, введенному в двигатель с топливом. Относительный к.п.д. показывает, насколько близко подходит индикаторное тепловыделение к термическому, определяет отношение тепла, эквивалентного индикаторной работе к теплу, эквивалентному работе замкнутого теоретического цикла. Механические потери ТД учитываются механическим к.п.д. и определяются отношением эффективной мощности ТД к его индикаторной мощности. Эффективный к.п.д. оценивает общее теплоиспользование реального ТД с учетом тепловых и механических потерь и определяет отношение количества теплоты, эквивалентной полезной работе, к количеству теплоты, затраченному на получение этой работы, то есть к теплу, которое могло бы выделиться при полном сгорании топлива. Все к.п.д. ТД взаимосвязаны и зависят от изменения режима работы ТД. ДВС являются ТД циклического действия, в которых совокупность различных термодинамических процессов осуществляется в определенной последовательности и заключается в превращениях химической (точнее молекулярной или атомной) энергии топливной смеси, происходящих в результате термохимических реакций окисления, в тепловую энергию, преобразуемую в энергию деформации и кинетическую энергию газов, частично реализуемую в кинетическую энергию вращения вала и механическую работу. Широкое применение ДВС объясняется их компактностью, малым весом, простотой в эксплуатации и главным образом высоким эффективным к.п.д. (до 45%). Любое тело (воздух, пар и т.п.), предназначенное выполнять роль рабочего агента, перед расширением может быть нагрето до температуры, значительно меньше температуры его горения, поэтому в этом случае неизбежно приходится осуществлять процесс горения в цилиндрах ДВС. Рабочий цикл поршневых ДВС образуется в результате четырех возвратно-поступательных ходов поршня (тактов ДВС), при этом коленвал делает два полных оборота. У двухтактных ДВС отсутствуют такты всасывания и выпуска, при этом коленвал делает один оборот. Циклы ДВС, в отличие от теоретического обратимого прямого цикла Карно, являются прямыми необратимыми, так как ДВС не работают замкнутыми циклами и после каждого процесса расширения рабочий агент (продукты сгорания) не возвращается в свое исходное состояние, а выбрасывается в атмосферу. Поршни в цилиндрах движутся с конечными скоростями, через поршень и цилиндр происходит непроизводительная потеря тепловой энергии посредством теплопроводности, теплоотдачи и излучения в окружающую среду, а также на трение движущихся частей, следовательно, обратимость термодинамических процессов невозможна. Все эти необратимые явления в ДВС понижают степень совершенства преобразования тепловой энергии в механическую работу, в силу чего действительный к.п.д. ДВС меньше к.п.д. теоретических идеальных циклов. В цикле Карно возможно наибольшее превращение тепла в работу, тем не менее ДВС работают не по циклу Карно, так как наклон адиабат и изотерм цикла Карно при разности температур, имеющихся в ДВС, почти одинаков и отношения давлений и объемов в силу этого очень велики, и, следовательно, мы бы имели очень большие давления (2500 ата) и большие объемы цилиндра (в основном за счет большого хода поршня). Однако высокая степень расширения приводит к увеличенным тепловым и механическим потерям, большим массам и размерам ДВС, что также неприемлемо. Поэтому рабочие циклы ДВС состоят из таких термодинамических процессов, которые не вызывают очень больших давлений и высоких степеней расширения. Эти циклы состоят из двух адиабат и двух изохор, или двух адиабат, изобары и изохоры, или двух адиабат, двух изохор и изобары (во всех случаях изотермы отсутствуют). Таким образом существующие ДВС работают по следующим термодинамическим циклам: цикл с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Отто) - теоретический цикл двигателей с низкой степенью сжатия; цикл с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля) - теоретический цикл двигателей с высокой степенью сжатия; цикл со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера) - теоретический цикл бескомпрессорных двигателей с высокой степенью сжатия. Все многообразие поршневых ДВС, в том числе и комбинированных ДВС (КДВС), может быть классифицировано по способу осуществления цикла (двух- и четырехтактные); по способу осуществления смесеобразования (внешнее и внутреннее смесеобразование); по способу осуществления воспламенения топливной смеси (воспламенением при сжатии - дизели и газовые дизели, с принудительным воспламенением от электрической искры - карбюраторные и газовые двигатели, или воспламенением с впрыскиванием легкого топлива); по способу наполнения цилиндра (без наддува и с наддувом, совместному и раздельному наполнению цилиндров); по разновидности применяемого топлива (двигатели, работающие на жидком топливе, газовые и газожидкостные). Исторически сложилось так, что первые ДВС появились в XIX веке в результате совершенствования паровых машин XVIII века, в которых в качестве преобразующего силового устройства использовался кривошипно-шатунный механизм. За более чем вековую историю развития поршневые ДВС достигли высокой степени совершенства. Благодаря циклическому характеру работы в ДВС реализуются высокие температуры и большие давления газа, что обуславливает их высокую топливную экономичность. Дальнейшие тенденции развития поршневых ДВС направлены на уменьшение их внутренних потерь и повышение мощностных и экономических показателей их работы с целью: снижения тепловых потерь и возможности использования теплоизолирующих покрытий и материалов для создания адиабатного ДВС, эффективный к.п.д. которого может быть выше на 25%; снижения потерь на трение в результате конструктивных усовершенствований механизмов ДВС с использованием более совершенных смазочных материалов (моторных масел) и универсальных присадок типа пластификационных модификаторов; совершенствования эффективности процесса сгорания путем осуществления послойного сгорания или интенсивной мелкомасштабной турбулентной пульсации в заряде с применением принудительного впрыска и воспламенения топливной смеси; конструктивного и технологического совершенствования всех систем ДВС (системы охлаждения, системы смазки, системы питания и топливоподачи, газораспределительного механизма и т.п.), в том числе и систем управления ДВС с применением бортовых ЭВМ, для оптимизации внешних скоростных характеристик ДВС по рациональному использованию мощностного режима двигателя во всем диапазоне его работ в зависимости от дорожной нагрузки, с частичным или полным отключением отдельных агрегатов двигателя (вентилятор, водяной насос, глушитель, отдельные цилиндры и т.п.) в определенных диапазонах его работы с целью повышения экономических показателей ДВС.A thermal engine (TD) is an engine in which thermal energy is converted into mechanical work. For the work of AP use chemical natural energy resources. TD are divided into piston engines (volumetric devices), rotary engines (combined devices) and jet engines (blade devices). Combinations of these types of engines are possible. According to the method of supplying heat to heat the working fluid, APs are divided into internal combustion engines (ICE), in which the processes of fuel combustion and the conversion of heat into mechanical work occur in the same cavities of the AP, and external combustion engines, in which the working fluid is obtained outside TD in special devices (Stirling engine, steam engine). The excellence of the AP is characterized by a number of performance factors (efficiency). Thermal efficiency does not depend on the properties of the working fluid and determines the ratio of the heat used in the cycle (equivalent to the work received) to the total amount of heat spent on the cycle. The perfection of the thermal process is evaluated by indicator efficiency and determines the ratio of the amount of heat equivalent to the indicator work to the total amount of heat introduced into the engine with fuel. Relative efficiency shows how close the indicator heat to thermal fits, determines the ratio of heat equivalent to indicator work to heat, equivalent to the work of a closed theoretical cycle. Mechanical losses of TD are taken into account by mechanical efficiency and are determined by the ratio of the effective power of the AP to its indicator power. Effective Efficiency estimates the total heat use of a real AP taking into account heat and mechanical losses and determines the ratio of the amount of heat equivalent to useful work to the amount of heat spent on getting this work, that is, the heat that could be released when the fuel was completely burned. All efficiency APs are interconnected and depend on changes in the mode of operation of APs. ICEs are cyclic-type TDs in which the set of different thermodynamic processes is carried out in a certain sequence and consists in transforming the chemical (more precisely, molecular or atomic) energy of the fuel mixture resulting from thermochemical oxidation reactions into thermal energy, which is converted into deformation energy and kinetic energy of gases partially realized in the kinetic energy of rotation of the shaft and mechanical work. The widespread use of internal combustion engines is explained by their compactness, low weight, ease of operation and mainly high effective efficiency. (up to 45%). Any body (air, steam, etc.) intended to act as a working agent can be heated before expansion to a temperature much lower than its burning temperature, therefore, in this case, it is inevitable to carry out the combustion process in ICE cylinders. The working cycle of the piston ICE is formed as a result of four reciprocating piston strokes (ICE cycles), while the crankshaft makes two full turns. Two-stroke ICEs do not have suction and exhaust cycles, while the crankshaft makes one revolution. ICE cycles, in contrast to the theoretical reversible direct Carnot cycle, are direct irreversible, since ICEs do not work in closed cycles and after each expansion process the working agent (combustion products) does not return to its original state, but is released into the atmosphere. Pistons in cylinders move at finite speeds, through the piston and cylinder there is an unproductive loss of thermal energy through heat conduction, heat transfer and radiation into the environment, as well as the friction of moving parts, therefore, the reversibility of thermodynamic processes is impossible. All these irreversible phenomena in the internal combustion engine lower the degree of perfection of the conversion of thermal energy into mechanical work, due to which the actual efficiency ICE less efficiency theoretical ideal cycles. In the Carnot cycle, the greatest conversion of heat to work is possible, however, ICEs do not work according to the Carnot cycle, since the slope of the adiabats and isotherms of the Carnot cycle at the temperature difference in the ICE is almost the same and the pressure / volume ratios are therefore very large, and therefore, we would have very high pressures (2500 ata) and large cylinder volumes (mainly due to the large stroke of the piston). However, a high degree of expansion leads to increased thermal and mechanical losses, large masses and dimensions of the internal combustion engine, which is also unacceptable. Therefore, ICE duty cycles consist of thermodynamic processes that do not cause very high pressures and high degrees of expansion. These cycles consist of two adiabats and two isochores, or two adiabats, isobars and isochores, or two adiabats, two isochores and isobars (in all cases there are no isotherms). Thus, the existing ICEs operate according to the following thermodynamic cycles: a cycle with heat supply at a constant volume (Otto cycle) —the theoretical cycle of engines with a low compression ratio; a cycle with heat supply at constant pressure (Diesel cycle) —the theoretical cycle of engines with a high degree of compression; mixed heat supply cycle (Trinkler cycle) - a theoretical cycle of uncompressed engines with a high degree of compression. The whole variety of piston internal combustion engines, including combined internal combustion engines (KDVS), can be classified by the method of the cycle (two- and four-stroke); according to the method of mixture formation (external and internal mixture formation); according to the method of ignition of the fuel mixture (compression ignition - diesels and gas diesels, with forced ignition from an electric spark - carburetor and gas engines, or ignition with injection of light fuel); by the method of filling the cylinder (naturally aspirated and pressurized, joint and separate filling of the cylinders); according to the type of fuel used (engines operating on liquid fuel, gas and gas-liquid). Historically, the first ICE appeared in the 19th century as a result of the improvement of the 18th century steam engines, in which a crank mechanism was used as a transforming power device. For more than a century of development, piston ICEs have reached a high degree of perfection. Due to the cyclical nature of the work in the internal combustion engine, high temperatures and high gas pressures are realized, which leads to their high fuel efficiency. Further trends in the development of piston ICEs are aimed at reducing their internal losses and increasing their power and economic performance with the goal of: reducing heat losses and the possibility of using heat-insulating coatings and materials to create an adiabatic ICE, effective efficiency which may be higher by 25%; reduction of friction losses as a result of structural improvements of ICE mechanisms using more advanced lubricants (motor oils) and universal additives such as plasticizing modifiers; improving the efficiency of the combustion process by means of stratified combustion or intense small-scale turbulent pulsation in a charge using forced injection and ignition of the fuel mixture; constructive and technological improvement of all ICE systems (cooling systems, lubrication systems, power and fuel supply systems, gas distribution mechanisms, etc.), including ICE control systems using onboard computers, to optimize the internal speed characteristics of ICEs for the rational use of power engine mode in the entire range of its work depending on the road load, with partial or complete shutdown of individual engine components (fan, water pump, muffler, individual cylinders ndry, etc.) in certain ranges of its work to improve the economic performance of the internal combustion engine.
Способы осуществления рабочего цикла ДВС, включающие двухтактную или четырехтактную раздельную последовательность воплощения термодинамических процессов (впуск, сжатие, подвод теплоты с расширением, выпуск), при внешнем или внутреннем топливном смесеобразовании, разнообразном наполнении цилиндров топливной смесью и ее воспламенением, не всегда обеспечивают рациональное использование пульсирующего тепловыделения, что сказывается на устойчивой работе двигателя при изменениях внешней нагрузки. Также для всех известных устройств конструктивных разновидностей ДВС - с крейцкопфным или тронковым кривошипно-шатунным механизмом (и в том числе с прицепными шатунами), разным числом цилиндров и их разнообразным расположением (рядным, Х- и V- образным, оппозитным, вертикальным, наклонным и горизонтальным), разной степенью сжатия, степенью быстроходности поршня и направлением вращения вала (правого или левого вращения, реверсивным и нереверсивным) - существенным недостатком является устройство превращения тепловой энергии в механическую работу, а именно, кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре во вращательное движение коленвала двигателя, а также конструктивно жестко связанный с ним механизм газораспределения, не успевающий при увеличении угловой скорости вращения коленвала за меньшее время процесса обеспечивать качественное формирование топливной смеси, что отражается на снижении мощности двигателя, его топливной экономичности и увеличении токсичности выхлопных газов из-за их частичного сгорания. Возвратно-поступательное движение поршня характеризуется прежде всего знакопеременными ускорениями и силами, значительно возрастающими с увеличением угловой скорости вращения коленвала. В современных карбюраторных ДВС легковых автомобилей ускорение поршня достигает 22000 м/сек за сек, а средняя скорость поршня 16 м/сек при угловой скорости вращения коленвала 6000 об/мин. В двигателе "Аспин" эти параметры достигают соответственно следующих значений: 93000 м/сек за сек, 35 м/сек и 14000 об/мин. Силы инерции масс двигателя, движущихся с переменными по величине и направлению скоростями во всем диапазоне работы ДВС, для некоторых деталей двигателя являются основными расчетными силами и в конечном итоге ограничиваются физико-химическими свойствами применяемых материалов. Из-за воздействия больших знакопеременных тепловых и динамических нагрузок в кривошипно-шатунном механизме, а также сил инерции, крутильных колебаний и всевозможных вибраций, возникающих при неизбежной неравномерности угловой скорости вращения коленвала под действием как внешних, так и внутренних факторов, конструкция поршневых ДВС получается сложной и экономически не выгодной, несмотря на самую массовую их сегодняшнюю распространенность. Это относится ко всем ДВС (стационарным, наземного транспорта, судовым, авиационным), в том числе и к КДВС, которые принято классифицировать по виду схемы связи между его поршневой, компрессионной и расширительной частями. Несмотря на большое разнообразие схем связи между различными частями КДВС, все они могут быть разделены по этому признаку на двигатели с механической, гидравлической, газовой и комбинированной связью; поршневые генераторы газов с газовой турбиной, вал которой соединяется с валом потребителя. Поэтому часто работы по конструктивным и технологическим усовершенствованиям поршневых ДВС не оправдывают ожидаемых надежд. Подобная ситуация в свое время возникла и наблюдалась в авиации, когда все возрастающие к поршневым ДВС требования, появившиеся при необходимости решения назревших проблем, привели в конечном итоге к созданию реактивных двигателей.Methods for the implementation of the ICE duty cycle, including a push-pull or four-stroke separate sequence of thermodynamic processes (inlet, compression, supply of heat with expansion, exhaust), with external or internal fuel mixture formation, various filling of the cylinders with the fuel mixture and its ignition, do not always ensure the rational use of pulsating heat release, which affects the stable operation of the engine with changes in external load. Also for all known devices of structural varieties of internal combustion engines - with a crosshead or throne crank mechanism (including trailed connecting rods), a different number of cylinders and their various locations (in-line, X- and V-shaped, opposed, vertical, inclined and horizontal), different degrees of compression, the degree of speed of the piston and the direction of rotation of the shaft (right or left rotation, reversible and non-reversible) - a significant drawback is the device for converting thermal energy into mechanical work, namely, the crank mechanism that converts the reciprocating motion of the piston in the cylinder into the rotational movement of the engine crankshaft, as well as the structurally tightly connected gas distribution mechanism, which does not have time to ensure high-quality formation of fuel with an increase in the angular velocity of the crankshaft rotation mixture, which is reflected in a decrease in engine power, its fuel economy and increased toxicity of exhaust gases due to their partial combustion. The reciprocating motion of the piston is characterized primarily by alternating accelerations and forces significantly increasing with increasing angular velocity of rotation of the crankshaft. In modern carburetor ICEs of passenger cars, the piston acceleration reaches 22,000 m / s per second, and the average piston speed is 16 m / s with an angular crankshaft rotation speed of 6,000 rpm. In the Aspin engine, these parameters respectively reach the following values: 93,000 m / s per second, 35 m / s and 14,000 rpm. The inertia forces of the masses of the engine, moving with variable in magnitude and direction speeds in the entire range of ICE operation, for some engine parts are the main calculated forces and are ultimately limited by the physicochemical properties of the materials used. Due to the effect of large alternating heat and dynamic loads in the crank mechanism, as well as inertia forces, torsional vibrations and all kinds of vibrations arising from the inevitable unevenness of the angular velocity of the crankshaft under the influence of both external and internal factors, the design of the piston ICE is complicated and economically unprofitable, despite their most widespread prevalence today. This applies to all internal combustion engines (stationary, ground transport, ship, aircraft), including KDV, which are usually classified according to the type of communication scheme between its piston, compression and expansion parts. Despite the wide variety of communication schemes between the various parts of the KDVS, all of them can be divided by this attribute into engines with mechanical, hydraulic, gas and combined communication; reciprocating gas generators with a gas turbine, the shaft of which is connected to the consumer's shaft. Therefore, often the work on constructive and technological improvements of the piston ICE does not live up to expectations. A similar situation at one time arose and was observed in aviation, when the requirements for piston ICEs, which appeared when necessary to solve urgent problems, were increasing, eventually led to the creation of jet engines.
Конструктивно реактивные двигатели подразделяются на ракетные двигатели и воздушно-реактивные: бескомпрессорные и турбокомпрессорные (газотурбинные) с разновидностью турбореактивных, а также турбовинтовых и турбовальных. Турбовинтовые и турбовальные двигатели относятся к двигателям непрямой реакции, в которых вся или большая часть полезной работы передается движителю (валу, винту, колесу и т.п.), посредством которого создается тяга или перемещение. Остальные двигатели - двигатели прямой реакции, в которых полезная работа затрачивается только на ускорение, создаваемое кинетической энергией отработавших выхлопных газов, кроме как в авиации и космонавтике, не имеют широкого применения из-за специфических особенностей их назначения (конструкция не имеет выходного вала отбора мощности), и поэтому в дальнейшем рассматриваться не будут. Газотурбинный двигатель (ГТД) - тепловая машина, предназначенная для преобразования химической энергии сгораемого топлива в кинетическую энергию реактивной струи газов и в механическую работу на валу двигателя, основными элементами которой являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина. ГТД являются роторными двигателями, они не имеют силовых механизмов с возвратно-поступательным движением и непосредственно или через редуктор соединяются с потребителем мощности. ГТД широко используются в авиации, а также применяются в локомотивах, судах и автомобилях (в качестве транспортных двигателей) и для привода электрогенераторов, воздуходувок, нагнетателей и компрессоров (в качестве стационарных силовых установок). Термический к.п.д. ГТД не меньше, чем у других ДВС. В них, в отличие от поршневых ДВС, возможно полное адиабатное расширение отработавших газов до атмосферного давления, они могут выполняться с высокими числами оборотов, а это дает возможность сосредоточить весьма большие мощности в одном силовом агрегате при относительно малых массогабаритных показателях, что недостижимо в поршневых ДВС. Мощность и экономичность ГТД с увеличением скорости не уменьшается, как у поршневых ДВС, а увеличивается, кроме того, в ГТД возможно применение регенерации теплоты. В автомобильных двухвальных ГТД применяют центростремительные (компрессорные) и осевые (тяговые) турбины, а для работы двигателя на разных режимах используют устройства поворотных лопаток тяговой турбины или применяют обгонные муфты между компрессорной или тяговой турбинами, что значительно не только усложняет конструкцию двигателя, увеличивает его массу, размеры и стоимость, но и качественно совершенствует ГТД как силовое устройство. ГТД отличаются высокими пусковыми качествами, хорошей балансировкой и уравновешенностью. В идеальном ГТД воздух засасывается компрессором, сжимается до требуемого давления и подается в камеру сгорания, куда также подается жидкое или газообразное топливо. Образовавшаяся таким образом в камере сгорания топливная смесь при требуемой температуре, регулируемой количеством подаваемого воздуха (воздух подается с избытком, чтобы обеспечить приемлемые температуры сгорания), воспламеняется и расширяющиеся газы поступают в сопла газовой турбины, где их энергия деформации в процессе адиабатного расширения через лопатки турбины переходит в кинетическую энергию газового скоростного потока и кинетическую энергию вращения ротора и выходного вала отбора мощности, где и преобразуется в механическую работу. Способ осуществления рабочего цикла ГТД заключается в одновременном воплощении последовательности термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения и отличается воплощением термодинамического процесса непрерывного или пульсирующего подвода теплоты. Поэтому циклы ГТД осуществляются по тем же термодинамическим процессам, что и в обычных поршневых ДВС: с подводом тепла при постоянном давлении (наиболее распространенный) и с подводом тепла при постоянном объеме. Термический к.п.д. цикла ГТД с изобарным подводом тепла увеличивается с возрастанием степени повышения давления в компрессоре (степени сжатия), а с изохорным подводом тепла увеличивается с возрастанием степени повышения давления в компрессоре и возрастанием степени изохорного увеличения давления. Однако высокие температуры оказывают разрушительное действие в ГТД (особенно на лопатки газовой турбины), что почти не отражается на работе поршневых ДВС, так как в последних сравнительно легко осуществляется охлаждение цилиндра и поршня, кроме того, воздействие высоких температур происходит периодически, по тактности ДВС, а не непрерывно, как в ГТД. Таким образом, температура продуктов сгорания топливной смеси ограничивает рост степени повышения давления в компрессоре и возрастание степени изохорного увеличения давления, откуда следует, что дальнейшее повышение термического к.п.д. ГТД не может быть решено созданием прочных и более жаростойких материалов. Сжатие воздуха в компрессоре по изотерме и расширение газов по изотерме осуществить невозможно из-за наличия внутренних потерь. Необходимо максимально приблизить действительный цикл газотурбинного двигателя к обобщенному циклу Карно для того, чтобы получить наибольший термический к.п.д., характеризующий совершенство преобразования тепловой энергии в тепловой машине. Для осуществления этого прибегают к многоступенчатому сжатию воздуха в компрессоре с промежуточным охлаждением воздуха и многоступенчатому расширению газов в турбине с промежуточным подводом им тепла. Наиболее оптимальным считается цикл ГТД с двумя-тремя ступенями сжатия и одной-двумя ступенями расширения, так как дальнейшее увеличение числа ступеней незначительно увеличивает рост термического к.п.д., но значительно усложняет и удорожает конструкцию ГТД. Применение регенерации тепла и ступенчатого сжатия и расширения способствует увеличению термического к.п.д., как цикла с изобарным подводом тепла, так и цикла с изохорным подводом тепла, однако в последнем регенерация тепла осуществляется при постоянном давлении, что вызвано более простым конструктивным осуществлением процесса регенерации. Эффективность и степень совершенства любого термодинамического цикла определяется значением термического к.п.д. цикла. Однако для сравнения к.п.д. различных циклов необходимо принять некоторое количество одинаковых условий, которые выявят более совершенный цикл, так как термический к.п.д. зависит и от степени сжатия, и от степени повышения давления, и от степени предварительного расширения. Если сравнивать циклы ГТД с подводом тепла при одинаковых минимальных и максимальных температурах и с одинаковыми степенями повышения давления в компрессоре, что равносильно одинаковым степеням сжатия, то так же, как и в циклах поршневых ДВС, термический к.п.д. в цикле с подводом тепла при постоянном объеме будет больше термического к.п.д. в цикле с подводом тепла при постоянном давлении. Аналогичная ситуация наблюдается в бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателях, например, при одинаковой степени сжатия и одинаковом количестве подведенного тепла термический к.п.д. цикла с изохорным процессом (пульсирующий двигатель) больше термического к.п.д. цикла с изобарным подводом тепла. Если принять условия по температурам те же, а по степени повышения давления другие, например, степень повышения давления с изохорным подводом тепла меньше, чем с изобарным, то и термический к.п.д. первого цикла будет меньше термического к.п.д. второго цикла, то есть в рассматриваемых данных условиях цикл работы ДВС с высокой степенью сжатия эффективнее цикла работы ДВС с низкой степенью сжатия. Термический к.п.д. цикла со смешанным подводом тепла имеет промежуточное значение по сравнению с термическими к.п.д. двух других циклов работы ДВС.Structurally, jet engines are divided into rocket engines and jet engines: uncompressed and turbocompressor (gas turbine) with a variety of turbojet, as well as turboprop and turbo. Turboprop and turboshaft engines are engines of indirect reaction, in which all or most of the useful work is transferred to the propulsion device (shaft, screw, wheel, etc.), through which traction or movement is created. The remaining engines are direct reaction engines, in which useful work is spent only on the acceleration created by the kinetic energy of the exhaust gases, except in aviation and astronautics, they are not widely used due to the specific features of their purpose (the design does not have an output power take-off shaft) , and therefore will not be considered in the future. A gas turbine engine (GTE) is a heat engine designed to convert the chemical energy of combustible fuel into kinetic energy of a jet of gases and into mechanical work on the engine shaft, the main elements of which are a compressor, a combustion chamber, and a gas turbine. GTEs are rotary engines, they do not have power mechanisms with reciprocating motion and are connected directly or through a reducer to a power consumer. GTEs are widely used in aviation, and are also used in locomotives, ships and cars (as transport engines) and for driving electric generators, blowers, blowers and compressors (as stationary power plants). Thermal efficiency GTE is not less than that of other internal combustion engines. In them, unlike piston ICEs, a complete adiabatic expansion of exhaust gases to atmospheric pressure is possible, they can be performed at high speeds, and this makes it possible to concentrate very large powers in one power unit with relatively small mass and dimension parameters, which is unattainable in piston ICEs . The power and economy of a gas turbine engine does not decrease with an increase in speed, as in a piston internal combustion engine, but increases; moreover, heat recovery can be used in a gas turbine engine. In automobile twin-shaft gas turbine engines, centripetal (compressor) and axial (traction) turbines are used, and for the engine to operate in different modes, the devices of the rotary blades of the traction turbine are used or overrunning couplings between the compressor or traction turbines are used, which not only complicates the design of the engine, increases its mass , size and cost, but also qualitatively improves the gas turbine engine as a power device. GTE are distinguished by high starting qualities, good balancing and balance. In an ideal gas turbine engine, air is sucked in by a compressor, compressed to the required pressure, and fed into the combustion chamber, where liquid or gaseous fuel is also supplied. The fuel mixture thus formed in the combustion chamber at the required temperature, controlled by the amount of air supplied (air is supplied in excess to provide acceptable combustion temperatures), ignites and expanding gases enter the nozzles of the gas turbine, where their deformation energy during adiabatic expansion through the turbine blades goes into the kinetic energy of the gas velocity stream and the kinetic energy of rotation of the rotor and the output power take-off shaft, where it is converted into mechanical work. The method of implementing the GTE duty cycle consists in simultaneously implementing a sequence of thermodynamic processes of compression, heat supply and expansion, and differs in the embodiment of the thermodynamic process of continuous or pulsating heat supply. Therefore, GTE cycles are carried out according to the same thermodynamic processes as in conventional piston ICEs: with heat supply at constant pressure (the most common) and with heat supply at a constant volume. Thermal efficiency GTE cycle with isobaric heat supply increases with increasing degree of compressor pressure increase (compression ratio), and with isochoric heat supply increases with increasing degree of compressor pressure increase and increasing degree of isochoric pressure increase. However, high temperatures have a destructive effect in gas turbine engines (especially on gas turbine blades), which almost does not affect the operation of piston ICEs, since the cylinder and piston are relatively easy to cool, in addition, the effect of high temperatures occurs periodically, according to the ICE cycle time, but not continuously, as in a gas turbine engine. Thus, the temperature of the combustion products of the fuel mixture limits the increase in the degree of increase in pressure in the compressor and the increase in the degree of isochoric increase in pressure, which implies that a further increase in thermal efficiency GTE cannot be solved by the creation of stronger and more heat-resistant materials. Compression of air in the compressor along the isotherm and expansion of gases along the isotherm is impossible due to the presence of internal losses. It is necessary to bring the actual cycle of the gas turbine engine as close as possible to the generalized Carnot cycle in order to obtain the highest thermal efficiency characterizing the perfection of the conversion of thermal energy in a heat engine. To accomplish this, they resort to multi-stage air compression in a compressor with intermediate air cooling and multi-stage expansion of gases in a turbine with an intermediate supply of heat. The GTE cycle with two to three stages of compression and one or two stages of expansion is considered to be the most optimal, since a further increase in the number of stages slightly increases the increase in thermal efficiency, but significantly complicates and increases the cost of the design of a gas turbine. The use of heat recovery and stepwise compression and expansion increases the thermal efficiency of both the cycle with isobaric heat supply and the cycle with isochoric heat supply, however, in the latter, heat recovery is carried out at constant pressure, which is caused by a simpler constructive process regeneration. The efficiency and degree of perfection of any thermodynamic cycle is determined by the value of thermal efficiency cycle. However, for comparison, the efficiency of various cycles, it is necessary to accept a certain number of identical conditions that will reveal a more perfect cycle, since thermal efficiency depends on the degree of compression, and on the degree of increase in pressure, and on the degree of preliminary expansion. If we compare the cycles of a gas turbine engine with heat supply at the same minimum and maximum temperatures and with the same degrees of pressure increase in the compressor, which is equivalent to the same degrees of compression, then, as in the cycles of piston ICEs, thermal efficiency in a cycle with heat supply at a constant volume, there will be more thermal efficiency in a cycle with heat supply at constant pressure. A similar situation is observed in uncompressed jet engines, for example, with the same compression ratio and the same amount of heat supplied, thermal efficiency cycle with isochoric process (pulsating motor) more thermal efficiency cycle with isobaric heat input. If we accept the same conditions for temperatures, and others for the degree of pressure increase, for example, the degree of pressure increase with isochoric heat supply is less than with isobaric, then the thermal efficiency the first cycle will be less thermal efficiency the second cycle, that is, under the given conditions, the cycle of the internal combustion engine with a high compression ratio is more efficient than the cycle of the internal combustion engine with a low compression ratio. Thermal efficiency mixed heat supply cycle has an intermediate value in comparison with thermal efficiency two other cycles of the internal combustion engine.
Несмотря на то, что способ осуществления рабочего цикла ГТД отличается от способа рабочего цикла ДВС возможностью одновременного воплощения последовательности термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения при раздельном смесеобразовании топливной смеси и принудительным ее воспламенением в камере сгорания, рабочий цикл ГТД реализует в работу теплоту малых давлений рабочего тела в больших объемах расширения, тогда как рабочий цикл ДВС реализует в работу теплоту больших давлений рабочего тела в малых объемах расширения. Поэтому в ГТД, кроме разрушительных действий высокотемпературных режимов, имеются недостатки, связанные с запуском и прогревом двигателя, большим потреблением топлива при малых оборотах и неполным его сгоранием, имеется склонность к помпажу компрессора и разносу турбины при внезапном сбросе нагрузки, а также создается значительный уровень шумов выхлопных отработавших газов, что ограничивает возможности их широкого применения.Despite the fact that the method of performing a gas-turbine engine cycle differs from the internal combustion engine cycle method by the possibility of simultaneously implementing a sequence of thermodynamic compression, heat supply and expansion processes during separate mixture formation of the fuel mixture and its forced ignition in the combustion chamber, the gas-turbine engine cycle implements low-pressure heat the working fluid in large volumes of expansion, while the working cycle of the internal combustion engine realizes the heat of large pressures of the working fluid in small volumes of expansion Nia. Therefore, in gas turbine engines, in addition to the destructive effects of high-temperature regimes, there are drawbacks associated with starting and warming up the engine, high fuel consumption at low revs and incomplete combustion, there is a tendency to surging the compressor and spacing of the turbine during a sudden load shedding, and a significant noise level is also created exhaust exhaust gas, which limits the possibility of their widespread use.
Поиски технических решений по созданию ТД, имеющих выходной вал отбора мощности и воплощающих в себе лучшие качества поршневых и газотурбинных двигателей с устранением присущих этим двигателям недостатков, привели к созданию серии ротационных двигателей: роторно-поршневых и поршневых турбинных (см. заявки ПНР №268245, №268246, №272915, кл. F 02 В, 1989 г., а также патент США 3757515, кл. F 02 В, 1973 г. и международную заявку №84/04354, кл. F 02 В, 1984 г.). Одновременно с конструктивными усовершенствованиями известны способы совершенствования топливного смесеобразования, например, см. Авторское свидетельство СССР №1404676, 4 F 02 М 29/00 от 05.11.86.The search for technical solutions for creating TDs with an output power take-off shaft and embodying the best qualities of piston and gas turbine engines with the elimination of the inherent disadvantages of these engines led to the creation of a series of rotary engines: rotary piston and piston turbine engines (see applications NDP No. 268245, No. 268246, No. 272915, class F 02 B, 1989, and also US patent 3757515, class F 02 B, 1973 and international application No. 84/04354, class F 02 B, 1984). Along with structural improvements, methods for improving fuel mixture formation are known, for example, see USSR Author's Certificate No. 1404676, 4 F 02
Наиболее интересным и рациональным оказался роторно-поршневой двигатель (РПД) Феликса Ванкеля, работающий по термодинамическому циклу карбюраторного ДВС, но имеющий совершенно другое конструктивное оформление. Корпус РПД является аналогом цилиндра обычного поршневого ДВС, он неподвижен и внутренние стенки его, выполненные по специальной кривой эпитрохоиде, имеют двухэпитрохоидальный профиль и охлаждаются жидкостью. В торцевых стенках корпуса, присоединяемых к нему на болтах, установлены подшипники, в которых вращается эксцентриковый рабочий вал со свободно насаженным на нем роторным криволинейным выпуклым треугольным поршнем, торцы которого снабжены уплотняющими пластинами и скользят по эпитройхоиде корпуса-цилиндра, а между корпусом-цилиндром и ротором-поршнем создаются секции, полностью изолированные друг от друга и изменяющиеся при вращении ротора-поршня по объему. За один оборот ротора-поршня происходит четыре изменения объема секций и при этом совершается три оборота эксцентрикого вала, являющегося одновременно валом отбора мощности. У РПД нет клапанного газораспределительного механизма, его заменяют впускные и выпускные отверстия, открываемые и закрываемые в нужные моменты времени гранями вращающегося ротора-поршня. Эти отверстия, работая с большей частотой, чем впускные и выпускные отверстия поршневых ДВС, обеспечивают непрерывность потока подачи топливной смеси и отвода отработавших газов, что положительно сказывается на эффективности протекания процесса впуска и выпуска РПД по сравнению с поршневыми ДВС. Температуры стенок цилиндра поршневого ДВС и стенок корпуса-цилиндра РПД различаются в пользу последнего, что положительно сказывается на характере протекания отдельных процессов рабочего цикла РПД, например, возможности получения более высокой степени сжатия при большей стойкости к детонационному сгоранию топливной смеси, хотя детонация в РПД так же нежелательна, как и в поршневых ДВС. Удельный вес и габариты РПД значительно меньше, чем обычных поршневых ДВС, что является их большим и неоспоримым достоинством. Внешние скоростные характеристики РПД уступают аналогичным характеристикам четырехтактных поршневых ДВС и сравнимы с характеристиками двухтактных поршневых ДВС, особенно при больших оборотах, однако РПД проигрывают поршневым ДВС по топливной экономичности. Существенной проблемой для РПД является уплотнение трущихся сопрягаемых поверхностей, образующих газовые секции, их износостойкость и соответственно низкий ресурс работы РПД. Камера сгорания в РПД имеет удлиненную форму и практически не подлежит дальнейшим конструктивным изменениям из-за ее формообразования при сопряжении корпуса-цилиндра и ротора-поршня.The most interesting and rational was the Felix Wankel rotary piston engine (RPD), operating on the thermodynamic cycle of a carburetor ICE, but having a completely different design. The RPD case is an analogue of a cylinder of a conventional piston internal combustion engine, it is stationary and its internal walls, made according to a special epitrochoid curve, have a two-epitrochoidal profile and are cooled by liquid. Bearings are installed in the end walls of the housing, bolted to it, in which an eccentric working shaft rotates with a rotary curved convex triangular piston freely mounted on it, the ends of which are equipped with sealing plates and slide along the epitrochoid of the cylinder body, and between the cylinder body and sections are created by the rotor-piston that are completely isolated from each other and change when the rotor-piston rotates in volume. For one revolution of the rotor-piston there are four changes in the volume of the sections and at the same time three turns of the eccentric shaft, which is simultaneously the power take-off shaft, are performed. The RPD does not have a valve timing mechanism, it is replaced by inlet and outlet openings that open and close at the right moments of time with the faces of the rotating rotor-piston. These openings, operating with a greater frequency than the inlet and outlet openings of the piston ICE, ensure the continuity of the flow of the fuel mixture and exhaust gas, which positively affects the efficiency of the process of the inlet and outlet of the RPD compared to the piston ICE. The temperatures of the cylinder walls of the piston ICE and the walls of the RPD case-cylinder differ in favor of the latter, which positively affects the nature of the individual processes of the RPD working cycle, for example, the possibility of obtaining a higher compression ratio with greater resistance to detonation combustion of the fuel mixture, although detonation in RPD is so undesirable as in piston ICEs. The specific gravity and dimensions of the RPD are much smaller than conventional piston ICEs, which is their great and undeniable advantage. The external high-speed characteristics of the RPD are inferior to the similar characteristics of the four-stroke piston internal combustion engines and are comparable with the characteristics of the two-stroke piston internal combustion engines, especially at high speeds, however the RPDs are inferior to the piston internal combustion engines in fuel economy. A significant problem for the RPD is the compaction of the friction mating surfaces forming the gas sections, their wear resistance and, accordingly, the low service life of the RPD. The combustion chamber in the RPD has an elongated shape and is practically not subject to further structural changes due to its formation when the body-cylinder and the rotor-piston are mated.
Обладая рядом существенных преимуществ перед поршневыми ДВС, РПД имеют такую же жесткую функциональную зависимость, но уже не возвратно-поступательного, а вращательного движения ротора-поршня от угловой скорости вращения выходного вала отбора мощности, изменяемой в результате воздействия внешней переменной нагрузки, что неизбежно отражается на внешних скоростных характеристиках РПД, а также токсичности его выхлопных газов. Хотя РПД существуют (с 1957г.) около 50 лет и имеют целый ряд преимуществ в сравнении с поршневыми ДВС и ГТД, очевидно, что они не получат массового распространения среди ДВС из-за их топливной экономичности, а также конструктивного образования рабочих секций (в том числе камеры сгорания) и вызванных при этом ограничениях по совершенствованию РПД с целью приближения действительных термодинамических процессов двигателя к теоретическим термодинамическим процессам обобщенного цикла Карно. Наиболее вероятное их массовое применение в качестве роторно-поршневых компрессоров (РПК) для сжатия воздуха (газов), где эффективность их работы будет значительно выше.Having a number of significant advantages over piston ICEs, RPDs have the same rigid functional dependence, but not reciprocating, but rotational motion of the rotor-piston on the angular speed of rotation of the output power take-off shaft, which changes as a result of the influence of an external variable load, which inevitably affects external speed characteristics of the RPD, as well as the toxicity of its exhaust gases. Although RPDs have existed (since 1957) for about 50 years and have a number of advantages in comparison with piston ICEs and gas turbine engines, it is obvious that they will not receive mass distribution among ICEs because of their fuel economy, as well as the constructive formation of working sections (including number of the combustion chamber) and the resulting limitations on improving the RPD in order to approximate the actual thermodynamic processes of the engine to the theoretical thermodynamic processes of the generalized Carnot cycle. Their most likely mass application as rotary piston compressors (RPK) for compressing air (gases), where their efficiency will be significantly higher.
Известны также малораспространенные разновидности ТД, отличающиеся от ДВС, ГТД и РПД, как способами работы, так и устройствами конструкций.Less common varieties of TDs are also known, which differ from ICE, GTE and RPD, both in working methods and in construction devices.
Свободнопоршневая машина или двигатель со свободно движущими поршнями, двухтактный двигатель с прямоточной продувкой, в котором отсутствует кривошипно-ползунный механизм, то есть возвратно-поступательное движение поршня не превращается во вращательное движение коленчатого вала. Прямой, или рабочий ход поршни, движущиеся в противоположных направлениях, совершают под действием газов в цилиндре двигателя, а обратный - под действием сжатого воздуха в компрессорных или буферных полостях. Работа свободнопоршневой машины возможна при симметричности перемещения поршней, обеспечиваемой синхронизирующим механизмом - шатунно-шарнирным или реечно-шестеренным.A free-piston machine or an engine with freely moving pistons, a two-stroke engine with direct-flow blowing, in which there is no crank-slide mechanism, that is, the reciprocating movement of the piston does not turn into rotational movement of the crankshaft. Pistons moving in opposite directions perform a direct or working stroke under the action of gases in the engine cylinder, and the reverse, under the action of compressed air in compressor or buffer cavities. The operation of the free piston machine is possible with the symmetrical movement of the pistons provided by the synchronizing mechanism - a connecting rod-articulated or rack-and-pinion gear.
Установки со свободнопоршневыми генераторами газов (СПГГ) представляют собой ДВС, спаренный с компрессором; выполняются в виде свободнопоршневой машины. Обычная конструкция СПГГ имеет 2 разбегающихся поршня, каждый из которых жестко связан с поршнем компрессора. Смесь выпускных газов двигателя и сжатого воздуха компрессора служит рабочим телом газовой турбины. Соединение СПГГ и газовой турбины - один из типов КДВС. СПГГ являются разновидностью КДВС, у которых мощность поршневого двигателя используется для привода компрессора, а мощность газовой турбины отдается потребителю. Такое соединение агрегатов комбинированного двигателя возможно при определенном уровне форсировки рабочего процесса, при котором мощность поршневого двигателя равна мощности, потребляемой компрессором. В этом случае двигатель в агрегате с компрессором становится генератором горячего газа, используемого в газовой турбине для приведения в действие движителя или машин-орудий.Installations with free-piston gas generators (LNGG) are an internal combustion engine paired with a compressor; are in the form of a free piston machine. The conventional LNG design has 2 scattering pistons, each of which is rigidly connected to the compressor piston. The mixture of exhaust gases of the engine and compressed air of the compressor serves as the working fluid of the gas turbine. The combination of LNGG and a gas turbine is one of the types of KDVS. LNGS are a type of KDVS, in which the power of the piston engine is used to drive the compressor, and the power of the gas turbine is given to the consumer. Such a combination of combined engine units is possible at a certain level of boosting the working process, at which the power of the piston engine is equal to the power consumed by the compressor. In this case, the engine in the unit with the compressor becomes the generator of hot gas used in the gas turbine to drive the propulsion device or machine guns.
Свободнопоршневой двигатель-компрессор (СПДК) также является свободнопоршневой машиной, в которой энергия, получаемая в цилиндре двигателя, непосредственно отдается поршням компрессора, связанным с рабочими поршнями двигателя без промежуточных механизмов. Часть сжатого воздуха расходуется на продувку цилиндра двигателя, а большая часть остального сжатого воздуха поступает к потребителю.The free-piston engine-compressor (SPDK) is also a free-piston machine in which the energy received in the engine cylinder is directly transferred to the compressor pistons connected to the working pistons of the engine without intermediate mechanisms. Part of the compressed air is spent on purging the engine cylinder, and most of the rest of the compressed air is supplied to the consumer.
Компрессорный двигатель (КД) - ДВС, как правило, дизель, в котором топливо подается в цилиндры воздухом, сжатым до 6 МПа. Вследствие значительной массы и габаритов, а также сложности регулирования давления воздуха при различной частоте вращения коленчатого вала КД в качестве транспортных (за исключением судовых) не применяются.Compressor engine (CD) - ICE, usually a diesel engine, in which fuel is supplied to the cylinders by air compressed to 6 MPa. Due to the significant mass and dimensions, as well as the difficulty of regulating air pressure at different rotational speeds of the crankshaft, the KDs are not used as transport (except for ships).
Свое дальнейшее развитие КДВС получили в роторных поршневых турбинных двигателях (РПТД), в которых цилиндры располагаются по периферии газовой турбины в аксиальном или радиальном направлении относительно ее выходного вала. В каждом цилиндре РПТД размещается поршень или пара противолежащих поршней, которые совершают возвратно-поступательное управляемое движение, осуществляемое механическими механизмами вращательного действия (кулачковыми и т.п.) или пневматическими механизмами. Известные РПТД имеют большое разнообразие схем связи между различными силовыми частями двигателя и разделяются по этому признаку на двигатели с механической, гидравлической, пневматической (газовой) и комбинированной связью. В двигателе используется двухстороннее действие поршня (с одной стороны поршня происходит впуск и сжатие воздуха или топливной смеси, а с другой стороны поршня осуществляется воспламенение топливной смеси и расширение продуктов сгорания). Превращаемая таким образом тепловая энергия через энергию деформации газовой смеси в процессе осуществления такта рабочего хода и выпуска частично переходит в кинетическую энергию газового потока и преобразуется в кинетическую энергию вращения газовой турбины (выходного вала отбора мощности), а частично затрачивается в процессе формирования такта впуска и сжатия на энергию деформации вновь создаваемой топливной смеси или воздуха. Газораспределение в РПТД осуществляется распределительными клапанами возвратно-поступательного или вращательного действия. Поршни в цилиндрах РПТД возвращаются в свое исходное положение при механическом приводном механизме - самим механизмом, а при пневматическом приводном механизме - пружиной (за счет энергии деформации предварительно сжатой пружины на такте рабочего хода). Следовательно, одни РПТД с механическими приводными механизмами работают с постоянной (жесткой) функциональной зависимостью от угла поворота выходного вала отбора мощности, а другие РПТД с пневматическими приводными механизмами работают с переменной (более гибкой) функциональной зависимостью от угла поворота выходного вала отбора мощности, а это значит, что они менее зависимы от воздействия приложенной к нему внешней переменной нагрузки. Преобразование кинетической энергии вращения между газовой турбиной и выходным валом отбора мощности в любом случае может осуществляться напрямую или через различные усиливающие или ослабляющие механизмы, а также их комбинации.KDVS received their further development in rotary piston turbine engines (RPTD), in which the cylinders are located on the periphery of the gas turbine in the axial or radial direction relative to its output shaft. In each cylinder of the RPTD there is a piston or a pair of opposing pistons that perform a reciprocating controlled movement carried out by mechanical mechanisms of rotational action (cam, etc.) or pneumatic mechanisms. Known RPTDs have a wide variety of communication schemes between different power parts of the engine and are divided by this feature into engines with mechanical, hydraulic, pneumatic (gas) and combined communication. The engine uses the two-way action of the piston (on the one side of the piston, air or fuel mixture is admitted and compressed, and on the other side of the piston, the fuel mixture is ignited and the combustion products expand). The thermal energy converted in this way through the deformation energy of the gas mixture during the stroke of the working stroke and exhaust partially passes into the kinetic energy of the gas stream and is converted into the kinetic energy of rotation of the gas turbine (output power take-off shaft), and is partially spent in the process of forming the intake and compression stroke on the deformation energy of a newly created fuel mixture or air. The gas distribution in the RPTD is carried out by control valves of reciprocating or rotational action. Pistons in RPTD cylinders return to their original position with the mechanical drive mechanism — by the mechanism itself, and with a pneumatic drive mechanism — by the spring (due to the deformation energy of the pre-compressed spring on the stroke of the stroke). Consequently, some RPTDs with mechanical drive mechanisms work with a constant (rigid) functional dependence on the angle of rotation of the output power take-off shaft, while other RPTDs with pneumatic drive mechanisms work with a variable (more flexible) functional dependence on the angle of rotation of the output power take-off shaft, and this means that they are less dependent on the effect of an external variable load applied to it. The conversion of kinetic energy of rotation between a gas turbine and an output power take-off shaft can in any case be carried out directly or through various reinforcing or attenuating mechanisms, as well as their combinations.
РПТД, не связанный жесткой функциональной механической зависимостью взаимного движения поршней в цилиндрах от угла поворота выходного вала отбора мощности, представлен в патенте США 3757515, кл. F 02 В, 1973 г. В двигателе решены проблемы взаимосвязанного механического движения поршней, так как скорости их движения ограничивались порогом критического уровня поршневой системы и ее компонентов. В этом поршневом турбинном двигателе изменен способ работы, что позволило отказаться от взаимного механического движения поршней. Выхлопные газы в одной камере сгорания расширяются и, сжимая установленную за поршнем пружину, поступают на газовую турбину и одновременно вводят топливо и воздух в другую камеру сгорания. Таким образом, цикл двигателя периодически повторяется от одной камеры к другой камере, которые установлены по периферии турбины. В этом двигателе, в отличие от поршневых ДВС, частота перемещения поршней осуществляется поршневым пневматическим механизмом и жестко не зависит от угловой скорости вращения газовой турбины и выходного вала отбора мощности. Внешняя нагрузка в процессе расширения выхлопных газов мало влияет на топливное смесеобразование в процессе сжатия, что сказывается на устойчивой работе двигателя и способствует лучшей приспособляемости двигателя к изменению угловой скорости вращения газовой турбины и повышению его мощности. В газораспределительном механизме предусмотрена система автоматического открытия и закрытия распределительных клапанов, соответствующих камер сгорания, синхронизирующих и самонастраивающих работу двигателя.RPTD, not associated with a rigid functional mechanical dependence of the reciprocal motion of the pistons in the cylinders on the angle of rotation of the output power take-off shaft, is presented in US Pat. No. 3,757,515, cl. F 02 V, 1973. The engine solved the problems of the interconnected mechanical movement of the pistons, since their speed was limited by the critical level threshold of the piston system and its components. In this reciprocating turbine engine, the method of operation has been changed, which has allowed to abandon the mutual mechanical movement of the pistons. The exhaust gases in one combustion chamber expand and, compressing the spring installed behind the piston, enter the gas turbine and simultaneously inject fuel and air into the other combustion chamber. Thus, the engine cycle is periodically repeated from one chamber to another chamber, which are installed on the periphery of the turbine. In this engine, unlike piston ICEs, the frequency of movement of the pistons is carried out by a piston pneumatic mechanism and is not rigidly dependent on the angular velocity of rotation of the gas turbine and the output power take-off shaft. The external load during the expansion of exhaust gases has little effect on fuel mixture formation during compression, which affects the stable operation of the engine and contributes to better adaptability of the engine to a change in the angular velocity of rotation of the gas turbine and increase its power. In the gas distribution mechanism, a system for automatically opening and closing the distribution valves, corresponding combustion chambers, synchronizing and self-adjusting engine operation is provided.
Однако двигатель, представленный в патенте США 3757515, кл. F 02 В, 1973 г., имеет ряд существенных недостатков, присущих для поршневых ДВС. Это прежде всего возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре и клапанов газораспределительного механизма, охлаждение цилиндра в районе камеры сгорания охлаждающей жидкостью (непроизводительные тепловые потери), наличие пружины сжатия, работающей с большой цикличностью в зоне высокотемпературного режима. Отказ в работе любого элемента в одной поршневой группе (пружины сжатия, свечи зажигания, распределительные клапана, поршни и поршневые кольца и т.п.) приводит в конечном итоге к отказу всего двигателя, так как последовательность цикла его работы нарушается. Отказ в работе одного цилиндра автоматически вызывает несрабатывание в последующем цилиндре.However, the engine presented in US patent 3757515, CL. F 02 B, 1973, has a number of significant drawbacks inherent in piston ICEs. This is primarily the reciprocating movement of the piston in the cylinder and the valves of the gas distribution mechanism, the cooling of the cylinder in the region of the combustion chamber with coolant (unproductive heat loss), the presence of a compression spring working with great cyclicity in the high-temperature zone. The failure of any element in one piston group (compression springs, spark plugs, control valves, pistons and piston rings, etc.) ultimately leads to a failure of the entire engine, since the sequence of its operation is disrupted. Failure of one cylinder automatically causes a failure in the subsequent cylinder.
Авторское свидетельство СССР №1404676, 4 F 02 М 29/00 от 05.11.86 "Способ гомогенизации горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания и устройство для его осуществления". Предложен способ гомогенизации горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания, заключающийся в том, что смешивают топливо с воздухом, образовавшуюся горючую смесь направляют на испарительные теплообменные поверхности, нагреваемые потоком жидкого теплоносителя, пропускаемого через полости теплообменных поверхностей, подключенных к системе охлаждения, испаряют топливо и направляют горючую смесь в цилиндры двигателя, отличающийся тем, что с целью повышения интенсификации процесса смесеобразования и степени гомогенности горючей смеси, в потоке теплоносителя генерируют искровые электрические разряды с образованием ударных волн, последние преобразуют в плоские и направляют их на теплообменные поверхности в виде пучков, причем горючую смесь топлива с воздухом направляют с помощью контакта ее со всей испарительной поверхностью, а испарение топлива осуществляют в режиме ударной вибрации как на испарительных поверхностях, так и в объеме потока горючей смеси... (далее следуют четыре разновидности реализации способа).USSR copyright certificate No. 1404676, 4 F 02
Данный усовершенствованный способ внешнего смесеобразования способствует увеличению скорости сгорания топливной смеси, следовательно, в конечном итоге увеличивает термический и другие к.п.д. ТД, однако, даже при совместной ультразвуковой обработке топлива и его полном сгорании при качественной подготовке топливных компонентов не позволяет достигнуть более высокой скорости сгорания из-за низкого уровня молекулярной активации реагирующих между собой молекул. Более возбужденное молекулярное состояние реагирующих между собой молекул топливных компонентов можно получить только при усовершенствованном способе внутреннего смесеобразования, а также соответствующей (электротермической обработке) подготовке топливных компонентов, что при полном сгорании топлива позволит значительно увеличить скорость сгорания топливной смеси и приблизить ее к детонационной (взрывной) скорости сгорания. Это неизбежно приведет к пересмотру конструкции устройств, способных при высокотемпературных режимах и больших скоростях сгорания преобразовывать тепловую энергию в механическую работу.This improved method of external mixture formation helps to increase the rate of combustion of the fuel mixture, therefore, ultimately increases thermal and other efficiency TD, however, even with joint ultrasonic processing of the fuel and its complete combustion with high-quality preparation of the fuel components does not allow to achieve a higher combustion rate due to the low level of molecular activation of the reacting molecules. A more excited molecular state of the reacting molecules of the fuel components can be obtained only with an improved method of internal mixture formation, as well as appropriate (electrothermal treatment) preparation of the fuel components, which with complete combustion of the fuel will significantly increase the rate of combustion of the fuel mixture and bring it closer to detonation (explosive) combustion rate. This will inevitably lead to a review of the design of devices capable of converting thermal energy into mechanical work under high temperature conditions and high combustion speeds.
Обзор уровня техники энергетических машин по преобразованию тепловой энергии в механическую работу сводился к рассмотрению объемных (поршневых и роторно-поршневых) и лопаточных (роторно-турбинных) ТД. Поршневые ТД объемных устройств с множеством разнообразных силовых механизмов (рычажные, зубчатые и кулачковые, в том числе кривошипно-ползунные, кулисно-рычажные, рычажно-кулачковые, рычажно-зубчатые, рычажно-храповые и т.п.) преобразуют энергию деформации рабочего тела в механическую работу с помощью поршня, перемещающегося в цилиндре. При этом объем периодически меняется вместе с другими термодинамическими параметрами по способам осуществления рабочего цикла ДВС (2- или 4-тактная раздельная последовательность воплощения термодинамических процессов с отличиями процессов подвода теплоты). У РПД между ротором и статором объем образуемых камер тоже периодически меняется вместе с другими термодинамическими параметрами. Они по принципу действия, так же, как и поршневые, являются машинами объемного типа, однако по равномерности вращения главного вала приближаются к лопаточным машинам вследствие отсутствия кривошипно-ползунного механизма и наличия нескольких камер сгорания по окружности ротора. Роторно-турбинные ТД являются машинами лопаточного устройства и преобразуют кинетическую энергию движущегося рабочего тела в кинетическую энергию вращения ротора по способам осуществления рабочего цикла ГТД (одновременная последовательность воплощения термодинамических процессов с отличиями процессов подвода теплоты), при этом передача мощности происходит через изменение момента импульса при проходе рабочего тела сквозь турбинное колесо. Благодаря хорошей экономичности, компактности, надежности и возможности осуществить большую единичную мощность турбина практически вытеснила поршневые паровые машины из современной энергетики. Обзор существующих ТД объемных или лопаточных устройств, сводимый к предпочтительному преобразованию энергии рабочего тела в механическую работу на выходном валу отбора мощности, характеризуется к.п.д. ТД с выявлением достоинств и недостатков, присущих ТД. Необходимость создания ТД, воплощающего тенденции дальнейшего совершенствования двигателестроения, напрашивается из сравнительного обобщающего анализа существующих ТД, которые были рассмотрены в изложенном обзоре аналогов и прототипов (ДВС, РПД, ГТД, в том числе КДВС, СПГГ и СПДК, РПД и РПТД).A review of the prior art of energy machines for converting thermal energy into mechanical work came down to consideration of volumetric (piston and rotor-piston) and blade (rotor-turbine) TDs. Piston TDs of volumetric devices with many different power mechanisms (lever, gear and cam, including crank-slide, rocker-lever, lever-cam, lever-gear, lever-ratchet, etc.) transform the energy of deformation of the working fluid into mechanical work with a piston moving in a cylinder. At the same time, the volume periodically changes along with other thermodynamic parameters according to the methods of implementing the internal combustion engine working cycle (2- or 4-stroke separate sequence of thermodynamic processes embodiment with differences in heat supply processes). In RPD between the rotor and stator, the volume of the formed chambers also periodically changes along with other thermodynamic parameters. According to the principle of operation, they, like piston ones, are volumetric machines, however, by the uniformity of rotation of the main shaft, they approach the blade machines due to the lack of a crank-slide mechanism and the presence of several combustion chambers around the circumference of the rotor. Rotor-turbine TDs are the machines of a blade device and convert the kinetic energy of a moving working fluid into kinetic energy of rotor rotation according to the methods of performing a gas turbine engine cycle (simultaneous sequence of thermodynamic processes with differences in heat supply processes), while power transfer occurs through a change in the angular momentum during passage working fluid through a turbine wheel. Due to its good economy, compactness, reliability and the ability to realize a large unit power, the turbine has virtually replaced piston steam engines from modern energy. A review of existing TD volumetric or blade devices, reduced to the preferred conversion of the energy of the working fluid into mechanical work on the output shaft of the power take-off, is characterized by efficiency TD with the identification of the advantages and disadvantages inherent in TD. The need to create a TD, embodying the tendency to further improve engine building, is suggested by a comparative generalizing analysis of existing TDs, which were considered in the above review of analogues and prototypes (ICE, RPD, GTD, including KDVS, SPGG and SPDK, RPD and RPTD).
Поставленные цели и задачи, решаемые данным изобретением, заключаются в повышении к.п.д. нового ТД на основе многофакторного теоретического анализа, в частности энергетического и эксергетического балансов ТД, при изменении способов работы и устройств конструкции ТД в результате пересмотра работы всех функциональных систем ТД, включая топливное смесеобразование с преобразованием атомно-молекулярной энергии топливной смеси в механическую работу.The goals and objectives to be solved by this invention are to increase the efficiency new TD based on multivariate theoretical analysis, in particular, energy and exergy balances of TD, when changing the working methods and design devices of the TD as a result of reviewing the operation of all functional TD systems, including fuel mixture formation with the conversion of atomic-molecular energy of the fuel mixture into mechanical work.
В любой термодинамической системе, в том числе ДВС или иной другой тепловой машине, совокупность макроскопических тел, взаимодействующих между собой и с другими телами, происходит (согласно закону сохранения материи) в виде обмена энергией и веществом. Практически изменение внутренней энергии ТД осуществляется двумя принципиально различными способами: теплообменом и совершением работы. Так, преобразование химической (молекулярной или атомной) энергии топливной смеси при ее сгорании происходит в результате макроскопического упорядоченного движения микрочастиц продуктов сгорания, с последующим превращением их импульсов сил в механическую работу. В итоге их обмена, в виде хаотического ненаправленного движения микрочастиц (теплообмен между веществами), происходящие процессы осуществляются как внутри рассматриваемой термодинамической системы (внутренняя среда), так и с другими телами (внешняя среда). Совокупность кинетической энергии теплового поступательного и вращательного движения молекул, кинетическая и потенциальная энергии колебаний атомов в молекулах, потенциальная энергия, обусловленная межмолекулярными взаимодействиями, энергия электронных оболочек атомов и ионов составляет внутреннюю энергию термодинамической системы, в которой перенос энергии теплового движения происходит при разности температур частей материи в результате их соприкосновения или беспорядочных, спонтанных электромагнитных колебаний. Внутренняя энергия зависит от термодинамического состояния системы, она является однозначной функцией термодинамического состояния системы, и значение внутренней энергии в любом состоянии не зависит от того, с помощью какого процесса система пришла в данное состояние. А так как внутренняя энергия термодинамической системы состоит из суммы свободной и связанной энергий, то необходимым и достаточным условием равновесия термодинамической системы будет условие минимума свободной энергии. Свободная энергия, энтальпия и внутренняя энергия являются термодинамическими потенциалами, и при равновесных (неравновесных) термодинамических процессах, в которых остаются постоянными некоторые из параметров системы (при изотермических, изобарных, адиабатных, политропных процессах), убывание термодинамических потенциалов равно (больше) совершаемой системой работе. Математически любое возможное элементарное изменение внутренней энергии является полным (точным) дифференциалом (точно таким же свойством обладает и энтропия). Термодинамическая система любого реального ТД, открытая, обменивающаяся энергией и веществом с другими системами, поэтому параметры состояния термодинамической системы, находящейся в неравновесном механическом и термическом состоянии, взаимосвязаны между собой и постоянно изменяются в процессе ее взаимодействия с внешней средой. Внутренняя энергия, давление и объем определяются состоянием термодинамической системы ТД в функциональной зависимости от температуры в виде энтальпии, при этом энтропия рабочего тела изменяется от количества переданной (подведенной или отведенной) теплоты. В самом общем случае, когда термодинамическая система, кроме работы расширения, выполняет еще какую-либо работу, например работу намагничивания, теплообмена, излучения и другие, то сообщенное системе количество теплоты определяется изменением энтальпии (изменением "теплосодержания"), которая подобно внутренней энергии является функцией состояния системы. При этом происходящие термодинамические процессы, определяемые функциональными зависимостями давления от объема и температуры от энтропии, соответственно характеризуют совершаемую работу и теплообмен с внешней средой (а энтропия рассматривается как мера тепловой неработоспособности рабочего тела), способны совершить работу, обеспечивающую равенство моментов на выходном валу двигателя. Теплоемкость рабочего тела зависит от характера термодинамического процесса, при котором подводится или отводится теплота, она не зависит ни от объема, ни от давления, а однозначно является функцией температуры, определяя при этом потенциальную возможность передачи теплоты. Температура равновесного состояния системы пропорциональна кинетической энергии микрочастиц рабочего тела (газ, воздух, водяной пар и т.п.), она является очевидным признаком возможности передачи энергии при теплообмене в виде теплоты, так как температура предопределяет термическое равновесие термодинамической системы. Давление рабочего тела определяется отношением суммы нормальных к поверхности составляющих сил, образующихся вследствие ударов о поверхность хаотически движущихся микрочастиц рабочего тела, к площади поверхности. Давление предопределяет потенциальную возможность совершения работы. Объем рабочего тела в термодинамическом процессе неразрывно связан с параметрами его давления, которое может оставаться постоянным или функционально зависеть от объема, так как объем предопределяет механическое равновесие термодинамической системы. При неравновесном состоянии термодинамической системы в течение некоторого времени возможно совершение механической работы за счет уменьшения внутренней энергии (ее составляющей части свободной энергии) термодинамической системы ТД, однако при равновесном ее состоянии совершение механической работы невозможно, несмотря на то, что рабочие тела обладают определенным потенциальным запасом внутренней энергии. Подведенное к термодинамической системе ТД некоторое количество теплоты приводит в общем случае к изменению внутренней энергии системы и совершению внешней положительной работы, возможной только при увеличении ее объема. Изменение внутренней энергии рабочего тела определяется только разностью ее конечного и начального состояний, тогда как внешняя работа зависит от характера термодинамического процесса, что приводит к изменению кинетической энергии и энергии деформации (потенциальной энергии) рабочего тела. Любые естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического и т.п.). В любом разомкнутом термодинамическом процессе при увеличении объема совершается положительная работа, но процесс расширения не может продолжаться бесконечно, и, следовательно, возможность циклического преобразования выделяемой при сгорании топлива теплоты в механическую работу ограничена. Каждый элементарный процесс, входящий в термодинамический цикл, осуществляется при подводе или отводе теплоты, сопровождается совершением положительной или отрицательной работы, увеличением или уменьшением внутренней энергии рабочего тела, но всегда при выполнении условия сохранения энергии, которая не возникает и не исчезает из ничего, а переходит из одной формы материи в другую. Следовательно, условия работы любого ТД сводятся к необходимости горячего (подводящего) и холодного (отводящего) источников теплоты, циклической работе двигателя и передаче части количества теплоты, полученной от горячего источника, холодному источнику, в том числе и без превращения ее в механическую работу, что объясняется принципиально неустранимыми тепловыми потерями (взаимосвязанные процессы кинетики экзотермических и эндотермических реакций горения и тепло, уносимое с выхлопными газами), а также принципиально устранимыми тепловыми потерями (плохое смесеобразование, физическая неполнота сгорания топливной смеси, теплообмен с элементами конструкции ТД, процессы газообмена, тепловые потери, соответствующие механическим потерям в результате трения сопрягаемых деталей узлов и механизмов ТД и т.п.). Результирующая работа термодинамического цикла определяется разностью работ расширения и сжатия. Экономичность работы ТД тем выше, чем больше работа цикла при заданном подводе теплоты, что определяется термическим к.п.д., который характеризует отношение полезно использованной в цикле теплоты (или полученной работы) ко всему количеству теплоты, затраченному на цикл подвода теплоты. В качестве холодного (отводящего) источника теплоты обычно используется температура окружающего воздуха (внешняя среда). Для получения горячего (подводящего) источника теплоты внутри ТД производят сжигание топлива, поэтому очень важно создать необходимые условия для качественного воспламенения и горения топлива, чтобы в отведенном временном интервале при минимальном топливном потреблении обеспечить его полное сгорание с максимальным тепловыделением (подводом теплоты). В качестве топлива применяются горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения значительного количества теплоты, выделившейся в результате термохимических реакций окисления топливной смеси с образованием раскаленных продуктов полного сгорания (дымовых газов). В основном это топлива органического происхождения жидкого или газообразного состояния (природные или искусственные), при использовании которых теплота выделяется в результате происходящих термохимических реакций соединения горючих элементов топлива (углерода, водорода, серы, кислорода и азота, находящихся в виде разнообразных сложных химических соединений, составляющих горючую массу топлива) с окислителем (обычно кислород атмосферного воздуха). Углеводороды, как продукты нефтеперегонки, входящие в состав топлив для ДВС, подразделяются на четыре основные группы, имеющие свои характерные особенности: алканы (парафиновый ряд), алкены (олефиновый ряд), цикланы (нафтеновый ряд) и ароматики. В основном моторные топлива состоят из атомов углерода, связанных между собой атомами водорода, причем эти соединения весьма многообразны как по числу атомов в молекуле, так и по структуре молекулярных соединений, что неизбежно отражается на физико-химических свойствах множества компонентов моторных топлив (агрегатное состояние, плотность, вязкость, детонационная стойкость и многие другие характеристики). Углерод и водород, как основные топливные компоненты, представляют самую ценную энергетическую часть топлива, так как 1 кг углерода при полном сгорании с превращением в углекислый газ выделяет 33,65 МДж, а 1 кг водорода выделяет 141,5 МДж с превращением в воду. В топливе водород частично находится в связанном виде, составляя внутреннюю влагу топлива, что понижает его тепловую ценность. Водород играет большую роль в образовании летучих веществ, выделяющихся при нагревании топлива без доступа воздуха. При нагревании топлива без доступа воздуха ослабляются межмолекулярные связи между отдельными атомами и звеньями атомов. Наименее прочные связи свойственны более сложным органическим молекулам. Сложные молекулы распадаются на более простые звенья, образуя новые продукты сгорания с большей температурой воспламенения. Последними распадаются самые простые углеводороды - метан, этилен и другие. Наиболее прочные молекулы метана разрушаются при температуре свыше 600°С, распадаясь на водород и углерод, кристаллическая решетка которого позволяет газам (кислороду и другим) проникать между слоями и осуществлять объемное химическое реагирование. Поэтому водород при термической обработке топлива в составе летучих веществ может находиться в чистом виде, в виде углеводородных и других химических соединений. Кислород и азот являются внутренним балластом топлива, снижающим содержание горючих элементов: кислород связывает часть водорода в топливе, вследствие чего топливо частично обесценивается. Влага топлива, так же, как и зола - балластная составляющая часть рабочей массы топлива, снижает его энергетическую ценность. 1 кг серы, содержащейся в топливе в виде органических соединений и сернистых солей, при полном сгорании выделяет до 9 МДж, однако присутствие серы резко снижает качество топлива из-за образующихся при сгорании топлива сернистых газов, отрицательно влияющих на качество металла и других материалов, соприкасающихся с газами. Важнейшей характеристикой топлива является его теплота сгорания (количество теплоты, выделившееся при полном сгорании топлива). Она может быть высшей (идеальной) и низшей (реальной), которая меньше высшей на величину скрытой теплоты парообразования влаги, как содержащейся в топливе, так и образовавшейся при его сжигании. В общих чертах реакции горения связаны с изменением электронных оболочек атомов и не касаются их ядер, так как при химических реакциях ядра реагирующих элементов остаются нетронутыми и целиком переходят в молекулы новых, более стойких химических соединений. К образованию новых молекул приводят лишь столкновения активных молекул, обладающих в тот момент времени дополнительной энергией (энергией активации), достаточной для ослабления и разрушения внутримолекулярных связей, существовавших до их столкновения. Без разрушения этих связей не может быть осуществлена перегруппировка атомов сталкивающихся молекул. Осуществление прямой экзотермической реакции становится возможным после преодоления энергетического барьера от начального энергетического (усредненного) уровня до наибольшего уровня. Начавшаяся реакция затем самопроизвольно перейдет к более пониженному уровню с выделением соответствующего количества теплоты. Протекание обратной эндотермической реакции происходит с поглощением соответствующего количества теплоты, но для этого необходимо преодолеть более высокий энергетический барьер от пониженного до наибольшего энергетических уровней, причем с большей энергией активации сталкивающихся молекул. Компоненты химической реакции горения связаны между собой определенными стехиометрическими зависимостями, характеризующими суммарные количественные соотношения исходных и конечных продуктов сгорания топлива при теоретическом потреблении кислорода. Они не отражают последовательности сгорания топлива, так как в подавляющем большинстве химических реакций превращение начальных веществ в конечные происходит не непосредственно, а с образованием ряда промежуточных продуктов. В развитии цепной реакции ведущими являются активные частицы, легко вступающие в реакции с начальными или промежуточными веществами. Эти активные частицы представляют собой молекулы углеводородов после отщепления от них одного или нескольких атомов водорода или нескольких атомов с незамещенными валентностями, причем существование их мимолетно. Для начала химических реакций необходим возбудитель, каковым являются активные частицы, образующиеся в зоне действия электрического разряда (в карбюраторном ДВС) или наиболее нагретой части впрыснутого топлива (дизельные ДВС). Согласно теории цепных реакций, разработанной академиком Семеновым, горение представляет собой цепную реакцию с разветвленными цепями, в ходе которой каждая активная молекула быстро порождает ряд новых активных центров, ускоряющих протекание реакций. Так, при горении водорода образуются нестойкие промежуточные вещества - атомарный водород и кислород, а также гидроксильный радикал. Реакции между ними идут гораздо быстрее обычных молекулярных реакций в силу меньшей энергии активации. Горение окиси углерода протекает так же, как разветвленная цепная реакция, причем имеющийся в пламени окиси углерода атомарный кислород и водород, а также гидроксил, являются возбудителями молекулярных цепей. Горение углеводородистых соединений, в которых перечисленные газы являются основными составляющими газообразного топлива, также носит в целом цепной характер. Несмотря на быстрое развитие цепной реакции, непрерывного увеличения скорости горения может и не наблюдаться, так как одновременно с развитием и разветвлением реакционных цепей происходят и обратные явления, связанные с обрывом цепных реакций вследствие попадания активных частиц на стенки камеры сгорания или соударения с молекулами инертных газов. Поэтому характер процесса горения зависит от качественного и количественного соотношения возникающих и обрывающихся цепных реакций. Горение, как химический процесс соединения топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением с резким повышением температуры более стойких продуктов сгорания, во многом зависит от смесеобразования, воспламенения, распространения пламени, диффузии и начальной температуры, начального давления, концентрации, теплоемкости, теплообмена и многих других факторов (процессов и параметров), протекающих в условиях тесной взаимосвязи. Условия сгорания топлива в разных теплотехнических устройствах и подготовка их к сжиганию различны, как различны и сами топлива. В камерах сгорания ДВС и ГТД горение ведут с наибольшей полнотой и получают продукты более полного сгорания. В газогенераторах осуществляют газификационные процессы, в которых в качестве окислителей используют кислород, воздух, водяной пар и углекислый газ, в результате получают горючие газообразные продукты газификации, с общими по своей природе реакциями горения, что позволяет осуществлять двухстадийное сжигание топлива, например, в том же топочном устройстве или камере сгорания ДВС. При нагреве топлива без доступа воздуха выход летучих веществ неравномерен по времени и зависит для каждого вида конкретного топлива от температуры, однако чем больше качественный и количественный выход летучих веществ, тем ниже температура воспламенения, тем легче осуществить зажигание топлива с большей при прочих равных условиях величиной прозрачной или светящейся зоны газового объема, в которой протекает реакция горения, то есть с большим объемом пламени. Процесс воспламенения топлива всегда предшествует горению. Реакции окисления топливной смеси могут происходить и при невысоких температурах и атмосферном давлении, при этом выделяемое при реакции тепло будет теряться в окружающей среде и топливная смесь будет находиться в состоянии теплового равновесия. С увеличением температуры топливной смеси и стенок сосуда, в котором она находится, например, цилиндр или камера сгорания, тепловыделение от реакции окисления возрастет и наступит момент, когда тепловыделение от реакции окисления превзойдет отвод тепла от цилиндра или камеры сгорания, температура смеси резко (скачкообразно) возрастет, произойдет саморазгон реакции и смесь практически мгновенно сгорит. Если смешивать отдельно подогретые струи (потоки) горючего газа и воздуха, то при некоторой температуре произойдет воспламенение, а затем и горение топливной смеси. Процесс горения топливной смеси может начаться путем самовоспламенения или принудительного воспламенения, например, от электрического искрового разряда или небольшого факела. В этом случае произойдет вынужденное зажигание топливной смеси, в результате чего цепными реакциями горения будет охвачен весь объем благодаря распространению пламени, но уже не мгновенно, а с некоторой объемной скоростью горения. Следовательно, при воспламенении топливная смесь нуждается в дополнительном подводе тепла: чем быстрее повышается температура топливной смеси, тем интенсивнее протекает воспламенение. Очевидно, факторами, затягивающими воспламенение, являются: большая влажность топлива; повышенная температура воспламенения топлива; небольшая тепловоспринимающая поверхность топлива (плохое смесеобразование); низкая начальная температура топлива и подача в камеру сгорания не подогретого предварительно воздуха. Температура воспламенения топливной смеси (минимальная температура ее воспламенения) не является постоянной физико-химической величиной, тогда как пределы воспламенения и пределы взрываемости топливной смеси существуют одни и те же. Существует нижний и верхний пределы концентраций горючих газов в смеси с воздухом или с кислородом. Эти пределы для различных топлив не являются постоянными, а зависят от температуры, давления и степени завихрения топливной смеси, обеспечивающей контакт топлива с окислителем. При повышении температуры топливной смеси пределы воспламеняемости несколько расширяются, а при увеличении давления - сближаются. Остаточные газы в топливной смеси сужают предел воспламеняемости. Вне пределов концентрации топливные смеси не воспламеняются, однако, если содержание газа в смеси превышает верхний предел концентрации и газ не горит, то при истечении в атмосферу он способен гореть. Газообразными продуктами, образующимися в результате горения топливной смеси, являются продукты полного сгорания, а также продукты газификации и разложения. Поэтому для дожигания слишком обогащенных топливных смесей, а также продуктов перегонки, применяют острое дутье, под которым подразумевается дополнительная подача воздуха (в том числе и повторная, при значительном количестве продуктов газификации) в виде ряда струй, пересекающих с большой скоростью поток газов. Повышение температуры воздуха, идущего на сгорание, позволяет поднять калориметрическую, а следовательно, и действительную температуру сгорания топлива. Горение может быть гомогенным (более эффективное), при котором тепло и массообмен происходит между веществами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии (обычно газообразном, когда горение протекает значительно быстро и с большой выделяемой теплотой сгорания), и гетерогенным (менее эффективное), при котором тепло- и массообмен происходит между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях (больше свойственно жидкому и твердому топливам, когда топливо претерпевает предварительную тепловую подготовку, в процессе которой происходит прогрев частиц, испарение влаги и выделение летучих веществ). Горение жидкого топлива в существующих конструктивных разновидностях ДВС происходит в основном в парогазовой фазе, так как температура его кипения значительно ниже температуры его воспламенения. В любых теплотехнических устройствах, в том числе и в ДВС, необходимо проводить процесс горения топливной смеси с наибольшей скоростью горения и распространения пламени, с развитием высоких температур и выделением большого количества теплоты, что обуславливается кинетическими (физико-химическими) факторами, аэродинамическими факторами и физическими факторами осуществления процесса горения. Кинетика химических реакций горения в основном зависит от концентрации реагирующих веществ топливной смеси, давления и температуры, что объясняется общим числом межмолекулярных столкновений реагирующих веществ при осуществлении процесса горения с соответствующим выделением или поглощением теплоты при цепном характере протекания реакции. Увеличение концентрации реагирующих веществ приводит к возрастанию общего числа межмолекулярных столкновений и увеличению скорости протекания реакции между реагирующими веществами, в том числе и с образующимися при цепной реакции промежуточными продуктами горения. Скорость реакции согласно закону действующих масс пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. По мере течения реакции горения концентрация реагирующих веществ уменьшается и скорость реакции снижается, однако обратимые реакции не могут протекать до полного исчезновения исходных веществ при неизбежном наличии обратных реакций, сопровождающихся образованием исходных веществ из конечных и промежуточных продуктов, например, реакция углекислоты с водородом и окиси углерода с водяным паром. В подобных ситуациях при возникновении возможных обратных реакций наступает химическое подвижное (динамическое) равновесие, определяемое константой равновесия при вычислении равновесного состава газов и характеризуемое равенством скоростей прямой и обратной реакций. Скорость горения в ДВС имеет наибольшее значение с коэффициентом избытка воздуха в пределах 0,8...0,9 при несколько худшей экономичности топлива. С обогащением или обеднением топливной смеси скорость горения уменьшается, что объясняется главным образом снижением температуры: в богатой смеси, из-за физической неполноты сгорания при плохой топливной экономичности; в бедной смеси, из-за дополнительных тепловых потерь на нагрев избыточного воздуха при наилучшей топливной экономичности. Повышение начального давления вызывает небольшое увеличение скорости горения топливной смеси. При значительном обогащении топливной смеси наблюдается обратная зависимость, когда с повышением давления скорость заметно уменьшается. Зависимость скорости горения топливной смеси от степени сжатия объясняется влиянием начальной температуры, начального давления и наличием остаточных газов. Увеличение степени сжатия в ДВС приводит к повышению температуры и давления в конце такта сжатия, а также уменьшает относительное содержание остаточных газов в топливной смеси, что увеличивает скорость горения. Влияние давления на скорость реакций горения, протекающих при двух разных давлениях с постоянной температурой, зависит от порядка реакции, под которым понимают число молекул, вступающих в реакцию. Скорость реакции горения прямо пропорциональна давлению в степени порядка реакции. Скорость химической реакции окисления в сильнейшей степени зависит от температуры. Влияние температуры на скорость реакции значительно сильнее влияния концентрации реагирующих веществ (скорость реакции увеличивается и достигает максимума после выгорания 80...90% горючих веществ), так как увеличение начальной температуры топливной смеси и, тем более, ее последующее повышение, сопровождается увеличением скорости сгорания и вызвано возрастанием скорости протекания химической реакции из-за повышения активности молекул при росте температуры вследствие увеличения их кинетической энергии и возрастания общего числа межмолекулярных столкновений реагирующих веществ. Закон Аррениуса определяет константу скорости реакции, в зависимости от температуры, с поправкой на энергию активации реагирующих молекул. Значение энергии активации вносит поправку на эффективность межмолекулярных соударений, так как если энергия молекул будет меньше необходимой энергии их активации, то реагирующие молекулы будут нереакционноспособны. Если энергии активации недостаточно, то обычному воспламенению может предшествовать образование холодного пламени (прозрачного или со слабым свечением) при очень небольшом повышении температуры (примерно 100°С). Причем не каждое соударение молекул приводит к началу реакции, например, из ста тысяч столкновений молекул кислорода и водорода при температуре 27°С только одно приводит к реакции, а при повышении температуры до 327°С - уже тысяча. Увеличение температуры в 2 раза с 500°С до 1000°С при энергии активации 168 МДж/кмоль приводит к возрастанию скорости в 500 000 000 раз. Величина энергии активации реакций горения газовых смесей находится в пределах 85...170 МДж/кмоль. Это энергия, которой должны обладать молекулы в момент их столкновения, чтобы быть способными к химическому взаимодействию. Разность энергий активации прямой и обратной реакции составляет тепловой эффект химической реакции. Такие реакции характеризуются сильной экзотермичностью, обуславливающей рост температуры. Если же в реакциях участвуют свободные атомы, то в силу того, что не требуется затрачивать энергию на разрушение молекулярных связей, энергия активации будет невелика, например для реакции водорода с кислородом величина энергии активации 25,2 МДж/кмоль. Реакция горения газообразного топлива протекает практически мгновенно, что объясняется не только ее цепным характером и сильным температурным воздействием, но и обеспечением в камере сгорания ДВС хорошего контакта топлива с окислителем при их смесеобразовании, что является непременным условием интенсивного и полного сгорания топлива. В действительности скорость горения газов в большей мере определяется не скоростью химического реагирования, а лимитируется качеством топливного смесеобразования горючей смеси, обеспечивающим наиболее полное и интенсивное ее сгорание. Увеличение угловой скорости коленвала ДВС способствует повышению скорости сгорания топливной смеси вследствие более интенсивного ее завихрения, при этом скорость распространения фронта пламени может быть в 8...12 раз больше, чем без завихрения, так как обеспечивается интенсивное перемешивание и контакт топлива с воздухом. Однако в замкнутых объемах, заполненных топливной смесью и подвергнутых перед воспламенением воздействию высоких температур и давлений, может образоваться ударная волна, возникающая в результате спонтанных резонансных явлений химической реакции горения, представляющая собой очень быстро движущийся слой газа, вызывающая температурный скачок, самовоспламеняющий топливную смесь, и ее детонацию. Причиной детонации является образование активных перекисей, представляющих собой очень нестойкие разнообразные соединения первичных продуктов окисления углеводородных молекул, образующихся в результате взаимодействия активных молекул кислорода и топлива. Скорость сгорания топливной смеси при детонации достигает скорости детонационной волны и находится в пределах 1500...2000 м/сек. Горение топливной смеси сопровождается интенсивным тепловыделением и имеет взрывной характер, что приводит к нарушению нормального (теплового и механического) режима работы ДВС и его поломкам. Скорость равномерного распространения пламени обычно достигает 30...50 м/сек и не является точной характеристикой горючести газа, так как зависит от качественного и количественного состава топливной смеси, температуры ее предварительного подогрева и забалластированности инертными составляющими. Нормальная скорость распространения пламени представляет собой скорость движения пламени, нормальную к фронту горения, определяемую кинетикой реакции горения и теплопроводностью топливной смеси. При стационарном, стабилизированном горении фронт пламени неподвижен и топливная смесь поступает со скоростью движения фронта пламени, но изменение хотя бы одной из скоростей может вызвать отрыв или проскок пламени при раздельной подаче топлива и окислителя. Процесс горения имеет две области: кинетическую, в которой скорость горения топлива определяется скоростью химической реакции однородной топливной смеси (наиболее сильно ощущается при низких концентрациях, температурах и давлениях топливной смеси), и диффузионную, в которой (при высоких концентрациях и температурах) регулятором скорости выгорания является скорость смесеобразования отдельно вводимого топлива и окислителя. Примером кинетической области горения является горение однородной газовоздушной смеси. Диффузионно горит газообразное топливо, вводимое в реакционную камеру отдельно от окислителя. Скорость горения топлива зависит от тонкости его распыления, чему способствует понижение вязкости топлива, достигаемое его предварительным подогревом, а также от интенсивности испарения горючих веществ, увеличивающейся с количеством подводимой теплоты и от скорости смесеобразования (возрастанием поверхности контакта топлива с окислителем при смесеобразовании), несмотря на то, что процесс смесеобразования практически не зависит от температуры. При турбулентном движении газовоздушного потока горение топливной смеси в основном является диффузионным, тогда как кинетическое горение очень неустойчиво. Устойчивый непрерывный процесс горения требует стабилизации фронта воспламенения готовой (кинетическое горение) или образующейся (диффузионное горение) топливной смеси. Для этого с помощью местного торможения создаются зоны со скоростью потока меньше скорости распространения пламени; осуществляется непрерывное воспламенение топливной смеси от постороннего источника; на пути потока устанавливаются плохо обтекаемые тела, обеспечивающие обратную циркуляцию продуктов сгорания, поджигающих смесь. Форма камеры сгорания влияет на распространение пламени и распределение тепловых потоков в температурных полях термодинамической системы любого ТД, так как наименьшее соотношение поверхности камеры сгорания к ее объему сокращает тепловые потери и позволяет осуществить наиболее полное сгорание топливной смеси при более интенсивном тепловыделении.In any thermodynamic system, including an internal combustion engine or another other thermal machine, a set of macroscopic bodies interacting with each other and with other bodies occurs (according to the law of conservation of matter) in the form of exchange of energy and matter. In practice, the change in the internal energy of a TD is carried out in two fundamentally different ways: by heat exchange and the completion of work. Thus, the conversion of chemical (molecular or atomic) energy of a fuel mixture during its combustion occurs as a result of macroscopic ordered movement of microparticles of combustion products, followed by the conversion of their force pulses into mechanical work. As a result of their exchange, in the form of chaotic non-directional movement of microparticles (heat transfer between substances), the processes occur both inside the thermodynamic system under consideration (internal environment) and with other bodies (external environment). The totality of the kinetic energy of the thermal translational and rotational motion of molecules, the kinetic and potential energy of atomic vibrations in the molecules, the potential energy due to intermolecular interactions, the energy of the electron shells of atoms and ions constitute the internal energy of the thermodynamic system, in which the energy of thermal motion occurs when the temperature of the parts of the matter is transferred as a result of their contact or random, spontaneous electromagnetic oscillations. Internal energy depends on the thermodynamic state of the system, it is an unambiguous function of the thermodynamic state of the system, and the value of internal energy in any state does not depend on how the system came to this state. And since the internal energy of the thermodynamic system consists of the sum of free and bound energies, the condition for the minimum free energy will be a necessary and sufficient condition for the equilibrium of the thermodynamic system. Free energy, enthalpy, and internal energy are thermodynamic potentials, and in equilibrium (nonequilibrium) thermodynamic processes in which some of the system parameters remain constant (in isothermal, isobaric, adiabatic, polytropic processes), the decrease in thermodynamic potentials is equal to (more) the work performed by the system . Mathematically, any possible elementary change in internal energy is a complete (exact) differential (entropy has exactly the same property). The thermodynamic system of any real AP, open, exchanging energy and matter with other systems, therefore, the state parameters of a thermodynamic system in a nonequilibrium mechanical and thermal state are interconnected and constantly change in the process of its interaction with the external environment. The internal energy, pressure and volume are determined by the state of the thermodynamic system of the TD in a functional dependence on temperature in the form of enthalpy, while the entropy of the working fluid varies with the amount of heat transferred (supplied or withdrawn). In the most general case, when the thermodynamic system, in addition to the work of expansion, performs some other work, for example, the work of magnetization, heat transfer, radiation, and others, the amount of heat communicated to the system is determined by the change in enthalpy (change in "heat content"), which, like internal energy, is function of the state of the system. In this case, the thermodynamic processes occurring, determined by the functional dependences of pressure on volume and temperature on entropy, respectively characterize the work performed and heat exchange with the external environment (and entropy is considered as a measure of the thermal inoperability of the working fluid), able to perform work ensuring equal moments on the motor output shaft. The heat capacity of the working fluid depends on the nature of the thermodynamic process in which heat is introduced or removed, it does not depend on either volume or pressure, but it is uniquely a function of temperature, thereby determining the potential for heat transfer. The temperature of the equilibrium state of the system is proportional to the kinetic energy of the microparticles of the working fluid (gas, air, water vapor, etc.). P. ), it is an obvious sign of the possibility of energy transfer during heat transfer in the form of heat, since temperature determines the thermal equilibrium of a thermodynamic system. The pressure of the working fluid is determined by the ratio of the sum of the normal forces to the surface of the forces generated due to impacts on the surface of randomly moving microparticles of the working fluid to the surface area. Pressure determines the potential for a job. The volume of the working fluid in the thermodynamic process is inextricably linked with the parameters of its pressure, which can remain constant or functionally dependent on the volume, since the volume determines the mechanical equilibrium of the thermodynamic system. In the nonequilibrium state of the thermodynamic system, mechanical work can be performed for some time due to a decrease in the internal energy (its component of free energy) of the thermodynamic system TD, however, in the equilibrium state, mechanical work is impossible, despite the fact that the working bodies have a certain potential margin internal energy. A certain amount of heat brought to the thermodynamic system of the thermodynamic system generally leads to a change in the internal energy of the system and to the fulfillment of external positive work, which is possible only with an increase in its volume. The change in the internal energy of the working fluid is determined only by the difference in its final and initial states, while the external work depends on the nature of the thermodynamic process, which leads to a change in the kinetic energy and the strain energy (potential energy) of the working fluid. Any natural processes are always directed towards the achievement by the system of an equilibrium state (mechanical, thermal, etc.). P. ) In any open thermodynamic process with increasing volume, positive work is done, but the expansion process cannot continue indefinitely, and therefore, the possibility of cyclic conversion of the heat released during fuel combustion into mechanical work is limited. Each elementary process that enters the thermodynamic cycle is carried out when heat is supplied or removed, accompanied by positive or negative work, an increase or decrease in the internal energy of the working fluid, but always when the condition for energy conservation is met, which does not arise and does not disappear from nothing but passes from one form of matter to another. Therefore, the operating conditions of any TD are reduced to the need for hot (supply) and cold (removal) sources of heat, cyclic operation of the engine and transfer of part of the amount of heat received from the hot source to the cold source, including without turning it into mechanical work, which due to the fundamentally unrecoverable heat loss (interconnected kinetics of exothermic and endothermic combustion reactions and heat carried away with exhaust gases), as well as fundamentally disposable heat E losses (poor mixture formation, physical incomplete combustion of the fuel mixture, heat transfer elements with TD structure of gas exchange processes, heat losses corresponding to mechanical losses resulting from friction between mating parts and mechanisms nodes TH and t. P. ) The resulting work of the thermodynamic cycle is determined by the difference in the work of expansion and contraction. The economy of the work of the AP is the higher, the greater the work of the cycle for a given supply of heat, which is determined by thermal k. P. d. , which characterizes the ratio of the heat (or work received) used in the cycle to the total amount of heat spent on the heat supply cycle. The ambient temperature (external environment) is usually used as a cold (exhaust) heat source. To obtain a hot (supply) source of heat inside the fuel, fuel is burned; therefore, it is very important to create the necessary conditions for high-quality ignition and combustion of the fuel, so that in the allotted time interval with minimum fuel consumption, it will be completely burned with maximum heat emission (heat input). Combustible substances are used as fuel, which is economically feasible to use to obtain a significant amount of heat released as a result of thermochemical oxidation reactions of the fuel mixture with the formation of hot products of complete combustion (flue gases). Basically, these are fuels of organic origin of a liquid or gaseous state (natural or artificial), when used, the heat is released as a result of thermochemical reactions of the combination of combustible fuel elements (carbon, hydrogen, sulfur, oxygen and nitrogen, which are in the form of various complex chemical compounds that make up combustible mass of fuel) with an oxidizing agent (usually atmospheric oxygen). Hydrocarbons, as oil distillation products that are part of ICE fuels, are divided into four main groups that have their own characteristic features: alkanes (paraffin series), alkenes (olefin series), cyclanes (naphthenic series) and aromatics. Motor fuels mainly consist of carbon atoms bonded to each other by hydrogen atoms, and these compounds are very diverse both in the number of atoms in the molecule and in the structure of molecular compounds, which inevitably affects the physicochemical properties of many components of motor fuels (state of aggregation, density, viscosity, knock resistance and many other characteristics). Carbon and hydrogen, as the main fuel components, represent the most valuable energy part of the fuel, since 1 kg of carbon, when completely burned to carbon dioxide, emits 33.65 MJ, and 1 kg of hydrogen releases 141.5 MJ with conversion to water. In fuel, hydrogen is partially bound, making up the internal moisture of the fuel, which lowers its thermal value. Hydrogen plays a large role in the formation of volatile substances released when the fuel is heated without air. When heating fuel without access to air, intermolecular bonds between individual atoms and atomic links are weakened. Least strong bonds are characteristic of more complex organic molecules. Complex molecules break up into simpler units, forming new products of combustion with a higher flash point. The simplest hydrocarbons decompose last - methane, ethylene and others. The strongest methane molecules are destroyed at temperatures above 600 ° C, decomposing into hydrogen and carbon, the crystal lattice of which allows gases (oxygen and others) to penetrate between the layers and carry out bulk chemical reaction. Therefore, hydrogen during heat treatment of fuel in the composition of volatile substances can be in pure form, in the form of hydrocarbon and other chemical compounds. Oxygen and nitrogen are the internal ballast of the fuel, reducing the content of combustible elements: oxygen binds part of the hydrogen in the fuel, as a result of which the fuel is partially depreciated. The moisture of the fuel, as well as ash, the ballast component of the working mass of the fuel, reduces its energy value. 1 kg of sulfur contained in the fuel in the form of organic compounds and sulfur salts emits up to 9 MJ during complete combustion, however, the presence of sulfur sharply reduces the quality of the fuel due to the formation of sulfur dioxide gases during fuel combustion, which negatively affect the quality of the metal and other materials in contact with gases. The most important characteristic of a fuel is its calorific value (the amount of heat released during the complete combustion of the fuel). It can be higher (ideal) and lower (real), which is less than the highest by the amount of latent heat of vaporization of moisture, both contained in the fuel and formed during its combustion. In general, combustion reactions are associated with a change in the electron shells of atoms and do not touch their nuclei, since during chemical reactions, the nuclei of the reacting elements remain intact and are completely transferred to the molecules of new, more stable chemical compounds. Only new collisions of active molecules lead to the formation of new molecules, which at that time had additional energy (activation energy) sufficient to weaken and destroy the intramolecular bonds that existed before their collision. Without the destruction of these bonds, the rearrangement of atoms of colliding molecules cannot be carried out. The implementation of a direct exothermic reaction becomes possible after overcoming the energy barrier from the initial energy (average) level to the highest level. The reaction that has begun will then spontaneously transfer to a lower level with the release of an appropriate amount of heat. The reverse endothermic reaction takes place with the absorption of an appropriate amount of heat, but for this it is necessary to overcome a higher energy barrier from lowered to highest energy levels, with a higher activation energy of colliding molecules. The components of the chemical combustion reaction are interconnected by certain stoichiometric dependencies characterizing the total quantitative ratios of the initial and final products of fuel combustion during theoretical oxygen consumption. They do not reflect the sequence of fuel combustion, since in the overwhelming majority of chemical reactions, the conversion of initial substances to final ones occurs not directly, but with the formation of a number of intermediate products. In the development of a chain reaction, the leading ones are active particles that readily react with initial or intermediate substances. These active particles are hydrocarbon molecules after the removal of one or more hydrogen atoms or several atoms with unsubstituted valencies from them, and their existence is fleeting. To start chemical reactions, a causative agent is needed, which are the active particles formed in the zone of electric discharge (in the carburetor ICE) or the most heated part of the injected fuel (diesel ICE). According to the theory of chain reactions developed by academician Semenov, combustion is a chain reaction with branched chains, during which each active molecule quickly generates a series of new active centers that accelerate the course of reactions. So, during the combustion of hydrogen, unstable intermediate substances are formed - atomic hydrogen and oxygen, as well as a hydroxyl radical. The reactions between them are much faster than ordinary molecular reactions due to the lower activation energy. The combustion of carbon monoxide proceeds in the same way as a branched chain reaction, and atomic oxygen and hydrogen, as well as hydroxyl, present in the flame of carbon monoxide are the causative agents of molecular chains. Combustion of hydrocarbon compounds, in which the listed gases are the main components of gaseous fuels, is also generally chain in nature. Despite the rapid development of the chain reaction, a continuous increase in the burning rate may not be observed, since simultaneously with the development and branching of the reaction chains, reverse phenomena occur that are related to the termination of chain reactions due to the ingress of active particles on the walls of the combustion chamber or collision with inert gas molecules. Therefore, the nature of the combustion process depends on the qualitative and quantitative ratio of arising and terminating chain reactions. Combustion, as a chemical process of combining fuel with an oxidizing agent, accompanied by intense heat generation with a sharp increase in temperature of more stable combustion products, largely depends on mixture formation, ignition, flame propagation, diffusion and initial temperature, initial pressure, concentration, heat capacity, heat transfer and many other factors (processes and parameters) proceeding in conditions of close interconnection. The conditions of fuel combustion in different heat engineering devices and their preparation for burning are different, as are the fuels themselves. In combustion chambers of internal combustion engines and gas turbine engines, combustion is carried out with the greatest completeness and products of more complete combustion are obtained. Gasification processes are carried out in gas generators, in which oxygen, air, water vapor and carbon dioxide are used as oxidizing agents, as a result, combustible gaseous gasification products are obtained with combustion reactions that are common in nature, which allows two-stage fuel combustion, for example, in the same combustion device or combustion chamber of the internal combustion engine. When fuel is heated without air access, the output of volatiles is uneven in time and depends on temperature for each type of specific fuel, however, the higher the qualitative and quantitative yield of volatiles, the lower the ignition temperature, the easier it is to ignite the fuel with a larger transparent ceteris paribus or a luminous zone of a gas volume in which a combustion reaction takes place, that is, with a large volume of flame. The process of ignition of the fuel always precedes combustion. Oxidation reactions of the fuel mixture can also occur at low temperatures and atmospheric pressure, while the heat released during the reaction will be lost in the environment and the fuel mixture will be in a state of thermal equilibrium. With an increase in the temperature of the fuel mixture and the walls of the vessel in which it is located, for example, a cylinder or a combustion chamber, the heat release from the oxidation reaction will increase and there will come a moment when the heat release from the oxidation reaction exceeds the heat dissipation from the cylinder or combustion chamber, the temperature of the mixture abruptly (abruptly) increases, self-acceleration of the reaction occurs and the mixture burns out almost instantly. If separately heated jets (flows) of combustible gas and air are mixed, then at a certain temperature ignition will occur, and then the fuel mixture will burn. The combustion process of the fuel mixture can begin by self-ignition or forced ignition, for example, from an electric spark discharge or a small flame. In this case, a forced ignition of the fuel mixture will occur, as a result of which chain reactions of combustion will cover the entire volume due to the spread of the flame, but not instantly, but with a certain volumetric burning rate. Consequently, when ignited, the fuel mixture needs additional heat supply: the faster the temperature of the fuel mixture rises, the more intense the ignition. Obviously, factors that delay the ignition are: high humidity of the fuel; increased fuel ignition temperature; small heat-absorbing surface of the fuel (poor mixture formation); low initial temperature of the fuel and the supply of unheated air to the combustion chamber. The ignition temperature of the fuel mixture (the minimum temperature of its ignition) is not a constant physico-chemical quantity, while the ignition limits and the explosive limits of the fuel mixture are the same. There are lower and upper limits for the concentration of combustible gases mixed with air or with oxygen. These limits for various fuels are not constant, but depend on the temperature, pressure and degree of turbulence of the fuel mixture, which provides contact of the fuel with the oxidizing agent. With increasing temperature of the fuel mixture, the flammability limits expand somewhat, and with increasing pressure, they come closer. Residual gases in the fuel mixture narrow the flammability limit. Outside the concentration limits, fuel mixtures do not ignite, however, if the gas content in the mixture exceeds the upper concentration limit and the gas does not burn, then it can burn when it expands into the atmosphere. Gaseous products resulting from the combustion of the fuel mixture are products of complete combustion, as well as products of gasification and decomposition. Therefore, for overburning too enriched fuel mixtures, as well as distillation products, sharp blasting is used, which means additional air supply (including re-supply, with a significant amount of gasification products) in the form of a series of jets crossing the gas stream at high speed. An increase in the temperature of the air going to combustion allows one to raise the calorimetric, and, consequently, the actual temperature of combustion of fuel. Combustion can be homogeneous (more efficient), in which heat and mass transfer occur between substances in the same aggregate state (usually gaseous, when combustion is much faster and with a high heat of combustion), and heterogeneous (less efficient), in which heat - and mass transfer occurs between substances in different states of aggregation (more characteristic of liquid and solid fuels, when the fuel undergoes preliminary heat treatment, during which particle heating, evaporation of moisture and the release of volatile substances). Liquid fuel combustion in the existing structural varieties of the internal combustion engine occurs mainly in the vapor-gas phase, since its boiling point is much lower than its ignition temperature. In any heat engineering devices, including internal combustion engines, it is necessary to carry out the process of burning the fuel mixture with the highest burning rate and flame propagation, with the development of high temperatures and the release of a large amount of heat, which is caused by kinetic (physicochemical) factors, aerodynamic factors and physical factors of the combustion process. The kinetics of chemical combustion reactions mainly depends on the concentration of the reacting substances in the fuel mixture, pressure and temperature, which is explained by the total number of intermolecular collisions of the reacting substances during the combustion process with the corresponding release or absorption of heat during the chain nature of the reaction. An increase in the concentration of reacting substances leads to an increase in the total number of intermolecular collisions and an increase in the rate of the reaction between reacting substances, including with the intermediate combustion products formed during the chain reaction. The reaction rate according to the law of the acting masses is proportional to the product of the concentrations of the reacting substances. As the combustion reaction progresses, the concentration of reacting substances decreases and the reaction rate decreases, however, reversible reactions cannot proceed until the starting materials disappear completely in the presence of reverse reactions, accompanied by the formation of starting materials from final and intermediate products, for example, the reaction of carbon dioxide with hydrogen and carbon monoxide with water vapor. In such situations, when possible reverse reactions occur, a chemical mobile (dynamic) equilibrium sets in, determined by the equilibrium constant when calculating the equilibrium composition of the gases and characterized by the equality of the rates of the forward and reverse reactions. The combustion rate in the internal combustion engine is of the greatest importance with an excess air coefficient of 0.8. . . 0.9 with slightly worse fuel economy. With the enrichment or depletion of the fuel mixture, the burning rate decreases, which is mainly due to a decrease in temperature: in a rich mixture, due to physical incompleteness of combustion with poor fuel economy; in a lean mixture, due to additional heat loss due to heating excess air at the best fuel economy. An increase in the initial pressure causes a slight increase in the burning rate of the fuel mixture. With a significant enrichment of the fuel mixture, an inverse relationship is observed when the speed decreases markedly with increasing pressure. The dependence of the burning rate of the fuel mixture on the compression ratio is explained by the influence of the initial temperature, initial pressure and the presence of residual gases. An increase in the compression ratio in the internal combustion engine leads to an increase in temperature and pressure at the end of the compression stroke, and also reduces the relative content of residual gases in the fuel mixture, which increases the burning rate. The effect of pressure on the rate of combustion reactions occurring at two different pressures with a constant temperature depends on the order of the reaction, which is understood as the number of molecules that enter the reaction. The rate of the combustion reaction is directly proportional to the pressure in the degree of the order of the reaction. The rate of the chemical oxidation reaction is highly dependent on temperature. The influence of temperature on the reaction rate is much stronger than the influence of the concentration of reacting substances (the reaction rate increases and reaches a maximum after burning out 80. . . 90% of combustible substances), since an increase in the initial temperature of the fuel mixture and, especially, its subsequent increase, is accompanied by an increase in the rate of combustion and is caused by an increase in the rate of a chemical reaction due to an increase in the activity of molecules with increasing temperature due to an increase in their kinetic energy and an increase in the total the number of intermolecular collisions of reacting substances. Arrhenius law determines the reaction rate constant, depending on temperature, adjusted for the activation energy of the reacting molecules. The value of the activation energy corrects for the efficiency of intermolecular collisions, since if the energy of the molecules is less than the required activation energy, the reacting molecules will be unreactive. If the activation energy is insufficient, then the usual ignition can be preceded by the formation of a cold flame (transparent or with a weak glow) with a very small increase in temperature (about 100 ° C). Moreover, not every collision of molecules leads to the start of a reaction, for example, out of a hundred thousand collisions of oxygen and hydrogen molecules at a temperature of 27 ° C, only one leads to a reaction, and when the temperature rises to 327 ° C, already a thousand. A 2-fold increase in temperature from 500 ° С to 1000 ° С with an activation energy of 168 MJ / kmol leads to an increase in speed by 500,000,000 times. The activation energy of the combustion reactions of gas mixtures is within 85. . . 170 MJ / kmol. This is the energy that molecules must possess at the moment of their collision in order to be capable of chemical interaction. The difference in the activation energies of the direct and reverse reactions is the thermal effect of the chemical reaction. Such reactions are characterized by strong exothermicity, which causes an increase in temperature. If free atoms participate in the reactions, then since the energy does not need to be spent on breaking molecular bonds, the activation energy will be small, for example, for the reaction of hydrogen with oxygen, the activation energy is 25.2 MJ / kmol. The combustion reaction of gaseous fuel proceeds almost instantly, which is explained not only by its chain nature and strong temperature effect, but also by ensuring good contact of the fuel with the oxidizer in the combustion chamber of the ICE during their mixture formation, which is an indispensable condition for intensive and complete combustion of the fuel. In reality, the burning rate of gases is not determined to a greater extent by the rate of chemical reaction, but is limited by the quality of the fuel mixture formation of the combustible mixture, which ensures its most complete and intense combustion. An increase in the angular velocity of the ICE crankshaft contributes to an increase in the rate of combustion of the fuel mixture due to its more intense swirl, while the propagation velocity of the flame front can be 8. . . 12 times more than without turbulence, as intensive mixing and contact of fuel with air is ensured. However, in confined volumes filled with the fuel mixture and subjected to high temperatures and pressures before ignition, a shock wave can occur that occurs as a result of spontaneous resonance phenomena of the chemical reaction of combustion, which is a very rapidly moving gas layer, causing a temperature jump, self-igniting the fuel mixture, and her detonation. The cause of detonation is the formation of active peroxides, which are very unstable various compounds of the primary products of the oxidation of hydrocarbon molecules resulting from the interaction of active oxygen molecules and fuel. The rate of combustion of the fuel mixture during detonation reaches the speed of the detonation wave and is within 1500. . . 2000 m / s Combustion of the fuel mixture is accompanied by intense heat generation and has an explosive nature, which leads to a violation of the normal (thermal and mechanical) mode of operation of the internal combustion engine and its breakdowns. The speed of uniform flame propagation usually reaches 30. . . 50 m / s and is not an accurate characteristic of the combustibility of the gas, since it depends on the qualitative and quantitative composition of the fuel mixture, the temperature of its preheating and ballasting with inert components. The normal flame propagation velocity is the flame velocity normal to the combustion front, determined by the kinetics of the combustion reaction and the thermal conductivity of the fuel mixture. In stationary, stable combustion, the flame front is stationary and the fuel mixture enters with the speed of the flame front, but a change in at least one of the speeds can cause the flame to break off or slip when the fuel and oxidizer are separately supplied. The combustion process has two areas: kinetic, in which the rate of combustion of the fuel is determined by the rate of the chemical reaction of a homogeneous fuel mixture (most strongly felt at low concentrations, temperatures and pressures of the fuel mixture), and diffusion, in which (at high concentrations and temperatures), the burn-out rate is is the rate of mixture formation of separately introduced fuel and oxidizing agent. An example of a kinetic combustion region is the combustion of a homogeneous air-gas mixture. Gaseous fuel, introduced into the reaction chamber separately from the oxidizer, burns diffusely. The fuel burning rate depends on the fineness of its atomization, which is facilitated by a decrease in the viscosity of the fuel achieved by its preliminary heating, as well as on the rate of evaporation of combustible substances, which increases with the amount of heat input and on the rate of mixture formation (an increase in the contact surface of the fuel with the oxidizer during mixture formation), despite the fact that the process of mixture formation is practically independent of temperature. During turbulent movement of the gas-air flow, the combustion of the fuel mixture is mainly diffusive, while kinetic combustion is very unstable. A stable continuous combustion process requires stabilization of the ignition front of the finished (kinetic combustion) or the resulting (diffusion burning) fuel mixture. To do this, using local braking, zones with a flow rate less than the flame propagation velocity are created; continuous ignition of the fuel mixture from an extraneous source; poorly streamlined bodies are installed in the flow path, providing reverse circulation of the combustion products that ignite the mixture. The shape of the combustion chamber affects the distribution of the flame and the distribution of heat fluxes in the temperature fields of the thermodynamic system of any TD, since the smallest ratio of the surface of the combustion chamber to its volume reduces heat loss and allows for the most complete combustion of the fuel mixture with more intense heat generation.
Максимальное тепловыделение при обеспечении качественного сгорания топливной смеси со снижением количественного потребления топлива и токсичности выхлопных газов в существующих разновидностях ТД не доведено до предела, так же, как и преобразование выделяемой теплоты в механическую работу. В существующих конструктивных разновидностях всех поршневых ДВС, КДВС, РПД, СПГГ и РПТД при известных способах осуществления рабочего цикла ДВС практически нельзя получить качественного смесеобразования, следовательно, нельзя достичь теоретически максимально возможной теплоты сгорания, что объясняется малым цикличным временем подготовки смесеобразования (до 1/100...1/300 сек), обратимыми и необратимыми затратами выделившейся теплоты соответственно на испарение топлива и ее непроизводительными потерями в окружающую среду через систему охлаждения, в том числе и с существующими устройствами и способами регенерации тепловой энергии, что неизбежно сказывается на их технико-экономических показателях. В тепловом балансе различных ДВС распределение теплоты соотносится следующим образом: преобразуется в эффективную работу 0,25...0,45; отводится в охлаждающую среду 0,12...0,35; уносится с отработавшими газами 0,25...0,45; не выделяется из-за физической неполноты сгорания 0,01...0,05; не учитывается в результате других потерь 0,02...0,10. Что касается режимов работы ДВС в процессе их эксплуатации, то одни ДВС могут иметь режимы работы в пределах всего диапазона возможных режимов (транспортные условия работы), другие ДВС работают в узком диапазоне скоростных режимов при всех возможных нагрузках (стационарные условия работы) или имеют режимы работы, обусловленные винтовой характеристикой потребителя (судовые условия работы). Все ДВС работают, как правило, в условиях частых нарушений установившегося режима работы. Наиболее типичными возмущениями являются изменение внешней нагрузки и изменение заданного скоростного режима. Равновесные условия работы ДВС, наблюдаемые при равенстве крутящего момента двигателя и момента сопротивления нагрузки, характеризуют устойчивый, установившийся режим его работы без воздействия на органы управления (положительное самовыравнивание). Устойчивость режимов работы ДВС зависит не только от дисбаланса крутящих моментов двигателя и потребителя (нагрузки) при данном отклонении частоты вращения вала отбора мощности от установившейся, но и от теплового дисбаланса при изменении нагрузки, следовательно, механический и тепловой баланс двигателя взаимосвязаны между собой, характеризуют равновесные условия работы двигателя, определяемые равенством крутящих моментов. В поршневых ДВС (РПД) топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в ограниченный объем цилиндра (секции) двигателя. Образующиеся при сгорании высокотемпературные газы оказывают давление на поршень (ротор) и перемещают (вращают) его импульсом сил рабочего тела. В связи с возвратно-поступательным движением поршня (вращательным движением ротора) сгорание топлива происходит периодически (циклично) определенными порциями, причем сгоранию каждой порции предшествует ряд подготовительных процессов. КДВС включает поршневую часть, несколько компрессоров и газовых турбин, а также устройства для подвода и отвода теплоты, объединенные между собой общим рабочим телом. В качестве поршневой части КДВС обычно используется поршневой ДВС. Энергия КДВС передается потребителю через вал поршневой части или газовой турбины, а также обоими валами одновременно. Количество компрессоров и расширительных машин, их типы и конструкции, связь с поршневой частью или между собой определяются назначением КДВС, его схемой и условиями эксплуатации. Наиболее компактны и экономичны КДВС, в которых продолжение расширения выпускных газов поршневой части осуществляется в газовой турбине, а предварительное сжатие свежего заряда производится в центробежном компрессоре, причем мощность потребителю обычно передается через коленчатый вал поршневой части. Поршневой ДВС и газовая турбина в составе КДВС удачно дополняют друг друга: в первом наиболее эффективно в механическую работу преобразуется теплота малых объемов газа при высоком давлении, а в газовой турбине наилучшим образом используется теплота больших объемов газа при низком давлении. Многофункциональный анализ работы существующих ТД, в том числе и с применением теории силового потока, представляющей движение материальных потоков, протекающих в пространственно-временной системе координат, с количественным (изменяется состояние потока) и качественным (изменяется вид потока) преобразованием потоков при их взаимодействии между собой в узловых точках рассматриваемой конструкции, позволяет решить задачу превращения химической энергии топлива и ее преобразование в механическую работу с большими потенциальными возможностями, чем в существующих конструкциях ТД. В любом ТД качественное и количественное преобразование энергетических силовых потоков, происходящее в узловых точках ТД, осуществляется с некоторыми конструктивными и технологическими отличиями, заключающимися в устройствах конструкции и способах превращения и преобразования выделяемой химической энергии в механическую работу. Поэтому повышение к.п.д. ТД возможно только при максимальном превращении химической энергии и преобразовании тепловой энергии в механическую работу при снижении внутренних тепловых и механических потерь в ТД, что особенно важно для условий частого нарушения установившегося режима работы. Следовательно, повышение к.п.д. ТД возможно при пересмотре работы всех функциональных систем двигателя, на основе результатов многофункционального анализа в полном соответствии с теоретическими основами физики, химии, термодинамики, теплотехники, теории ДВС, теории горения и их практическими рекомендациями.The maximum heat emission while ensuring high-quality combustion of the fuel mixture with a decrease in the quantitative consumption of fuel and toxicity of exhaust gases in existing types of APs is not brought to the limit, as well as the conversion of the released heat into mechanical work. In the existing structural varieties of all piston ICEs, KDVS, RPD, SPGG and RPTD with known methods for implementing the ICE working cycle, it is practically impossible to obtain high-quality mixture formation, therefore, it is impossible to achieve the theoretically maximum possible heat of combustion, which is explained by the short cyclic preparation time for mixture formation (up to 1/100 ... 1/300 sec), the reversible and irreversible costs of the released heat, respectively, for the evaporation of the fuel and its unproductive losses into the environment through the system about cool the, including existing devices and methods of recovery of thermal energy, which inevitably affects their technical and economic indicators. In the heat balance of various internal combustion engines, the distribution of heat is correlated as follows: it is converted into effective operation 0.25 ... 0.45; discharged into the cooling medium 0.12 ... 0.35; exhaust gas 0.25 ... 0.45; not allocated due to physical incompleteness of combustion 0.01 ... 0.05; not taken into account as a result of other losses 0.02 ... 0.10. As for the operating modes of the internal combustion engine during their operation, some internal combustion engines can have operating modes within the entire range of possible modes (transport operating conditions), other internal combustion engines operate in a narrow range of speed modes at all possible loads (stationary operating conditions) or have operating modes due to the screw characteristics of the consumer (ship working conditions). All internal combustion engines work, as a rule, in conditions of frequent violations of the established operating mode. The most typical disturbances are a change in the external load and a change in a given speed regime. The equilibrium operating conditions of the internal combustion engine, observed when the engine torque is equal to the load resistance moment, characterize a stable, steady-state mode of its operation without affecting the controls (positive self-leveling). The stability of the internal combustion engine operation modes depends not only on the imbalance of engine and consumer torques (load) at a given deviation of the power take-off shaft rotation frequency from the established one, but also on the thermal imbalance when the load changes, therefore, the mechanical and thermal balance of the engine are interconnected, characterize the equilibrium engine operating conditions determined by the equality of torques. In a piston engine (RPD), fuel and the air necessary for its combustion are introduced into a limited volume of the cylinder (section) of the engine. The high-temperature gases formed during combustion exert pressure on the piston (rotor) and move (rotate) it with the impulse of the working fluid forces. In connection with the reciprocating movement of the piston (rotational movement of the rotor), the combustion of fuel occurs periodically (cyclically) in certain portions, and the combustion of each portion is preceded by a number of preparatory processes. KDVS includes a piston part, several compressors and gas turbines, as well as devices for supplying and removing heat, interconnected by a common working fluid. As the piston part of KDVS usually used piston ICE. Energy KDVS is transmitted to the consumer through the shaft of the piston part or gas turbine, as well as both shafts simultaneously. The number of compressors and expansion machines, their types and designs, communication with the piston part or between each other are determined by the purpose of the KDVS, its scheme and operating conditions. The most compact and economical KDVS, in which the extension of the exhaust gases of the piston part is continued in the gas turbine, and the preliminary compression of the fresh charge is carried out in a centrifugal compressor, and the power is usually transmitted to the consumer through the crankshaft of the piston part. The piston ICE and the gas turbine as part of the KDVS successfully complement each other: in the first, the heat of small volumes of gas at high pressure is most effectively converted into mechanical work, and the heat of large volumes of gas at low pressure is best used in a gas turbine. A multifunctional analysis of the operation of existing TDs, including the application of the theory of power flow, which represents the movement of material flows in a spatio-temporal coordinate system, with quantitative (the state of the stream changes) and qualitative (the form of the stream changes) stream conversion when they interact with each other at the nodal points of the structure under consideration, it allows us to solve the problem of converting the chemical energy of the fuel and its conversion into mechanical work with great potential awns than in existing designs TD. In any TD, the qualitative and quantitative transformation of energy power flows that occurs at the nodal points of the TD is carried out with some structural and technological differences, which are construction devices and methods for converting and converting the released chemical energy into mechanical work. Therefore, the increase in efficiency TD is possible only with the maximum conversion of chemical energy and the conversion of thermal energy into mechanical work with a decrease in internal thermal and mechanical losses in the TD, which is especially important for conditions of frequent violation of the established operating mode. Consequently, the increase in efficiency TD is possible when reviewing the operation of all functional systems of the engine, based on the results of multifunctional analysis in full accordance with the theoretical foundations of physics, chemistry, thermodynamics, heat engineering, the theory of internal combustion engines, combustion theory and their practical recommendations.
Таким образом, анализируя и подводя итоги изложенного материала, определяются решаемые данным изобретением задачи взаимосвязанного повышения различных к.п.д. ТД:Thus, analyzing and summarizing the stated material, the problems of the interconnected increase in various efficiency are solved by this invention. TD:
1) повышения термического к.п.д. ТД в результате сокращения принципиально неустранимых тепловых потерь двигателя (возможно только за счет тепла, уносимого с выхлопными газами) и принципиально устранимых тепловых потерь двигателя (потери смесеобразования, неполноты сгорания, а также непроизводительный теплообмен с элементами конструкции двигателя и т.п.).1) increase thermal efficiency TD as a result of the reduction of fundamentally unrecoverable thermal losses of the engine (possible only due to heat carried away with exhaust gases) and fundamentally removable thermal losses of the engine (loss of mixture formation, incompleteness of combustion, as well as unproductive heat transfer with engine design elements, etc.).
2) повышения индикаторного и относительного к.п.д. ТД в результате восполнения тепловых потерь путем использования рекуперативного и регенеративного теплообмена в двигателе для подготовки топливных компонентов к внутреннему смесеобразованию и сгоранию топлива;2) increase indicator and relative efficiency TD as a result of replenishment of heat losses by using regenerative and regenerative heat transfer in the engine to prepare fuel components for internal mixture formation and fuel combustion;
3) повышения механического к.п.д. ТД путем замены силового преобразующего устройства возвратно-поступательного движения на вращательное движение, в том числе и с целью сокращения непроизводительных механических потерь при самостоятельном распределении и перераспределении силовых энергетических потоков ТД для преодоления внутренней нагрузки и для преодоления внешней нагрузки;3) increase the mechanical efficiency TD by replacing the power converting device of the reciprocating motion with rotational movement, including with the aim of reducing unproductive mechanical losses during the independent distribution and redistribution of power energy flows of the TD to overcome the internal load and to overcome the external load;
4) повышения индикаторного к.п.д. ТД и увеличение крутящего момента, развиваемого двигателем, в том числе при малых оборотах выходного вала отбора мощности, путем осуществления практически независимого от внешней нагрузки внутреннего смесеобразования и подвода теплоты;4) increase indicator efficiency TD and an increase in the torque developed by the engine, including at low revolutions of the output power take-off shaft, by realizing internal mixture formation and heat supply almost independent of the external load;
5) повышения эффективного к.п.д. ТД созданием и реализацией самоприспосабливающегося комбинированного бинарного рабочего цикла ТД (с использованием двух и более рабочих тел) при самоустанавливающемся по тепловому и механическому балансу двигателя подводе теплоты (при постоянном давлении, смешанном или при постоянном объеме), а также обеспечение экономии энергетических затрат в результате необходимого отключения отдельных устройств ТД.5) increase effective efficiency TD by the creation and implementation of a self-adaptive combined binary duty cycle of the TD (using two or more working fluids) with heat supply self-installing according to the thermal and mechanical balance of the engine (at constant pressure, mixed or at a constant volume), as well as ensuring energy savings as a result of the necessary disable individual AP devices.
Цели и задачи, решаемые данным изобретением по повышению к.п.д. и расширению функциональных возможностей ТД, достигаются предлагаемым способом работы теплового двигателя внутреннего сгорания Мазеина (ТДВСМ) и устройством его осуществления.Goals and objectives solved by this invention to improve efficiency and expanding the functionality of the TD, are achieved by the proposed method of operation of the Masein internal combustion engine (TDVSM) and the device for its implementation.
Анализ работы ТД и реализации их рабочих циклов позволяет качественно изменить способ работы ТД и устройство его осуществления. Пространственно-временное разделение, распределение и перераспределение силовых энергетических потоков, протекающих в узловых точках ТД с различными энергетическими преобразованиями при осуществлении термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, позволяет совместить противоречивые особенности работы различных ТД и реализовать их в ТДВСМ с повышенным к.п.д. и дополнительными функциональными возможностями. В ТДВСМ совмещены многие известные технические решения по способам работы и устройствам их осуществления. Конструктивные и технологические изменения в функциональных системах ТДВСМ выполнены взаимосвязанными многофункциональными механизмами и устройствами, которые совместно реализуют рабочий цикл в механическую работу. Таким образом, в ТДВСМ известные способы осуществления рабочего цикла, внутреннего смесеобразования, наполнения камеры сгорания, воспламенения топливной смеси, подвода теплоты и расширения рабочих тел усовершенствованы, так как осуществляются взаимосвязанными многофункциональными устройствами: боковыми модулями сжатия (МС); центральным модулем расширения (МР); тепловыми модулями (ТМ) и их газораспределительными механизмами (ГРМ); трехвальным поршневым ротором (ТПР); индивидуальными магистралями сжатия и расширения с каскадом разнообразных монтажно-теплообменных отсеков, сформированных при сборке ТДВСМ, в том числе и с ресивером ионизированного воздуха (РИВ).Analysis of the operation of the AP and the implementation of their work cycles allows you to qualitatively change the way the AP works and the device for its implementation. The spatio-temporal separation, distribution and redistribution of power energy flows that occur at the nodal points of the AP with various energy transformations during the thermodynamic processes of compression, heat supply and expansion, allows you to combine the contradictory features of the various APs and implement them in the TDVSM with increased efficiency d. and additional functionality. The TDVSM combines many well-known technical solutions for working methods and devices for their implementation. Constructive and technological changes in the functional systems of the TDVSM are made by interconnected multifunctional mechanisms and devices that together implement the duty cycle in mechanical work. Thus, in TDVSM known methods for the implementation of the duty cycle, internal mixture formation, filling the combustion chamber, igniting the fuel mixture, supplying heat and expanding the working fluid are improved, as they are implemented by interconnected multifunctional devices: lateral compression modules (MS); central expansion module (MP); thermal modules (TM) and their gas distribution mechanisms (GRM); three-shaft piston rotor (TPR); individual compression and expansion lines with a cascade of various assembly and heat-exchange compartments formed during the assembly of TDVSM, including with an ionized air receiver (RIV).
В ТДВСМ применен способ работы ТД внутреннего сгорания, включающий (содержащий) рабочий цикл, в том числе и бинарный, с одновременной последовательностью воплощения термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения. Способом работы в ТД предусматривают раздельное поступление компонентов топливной смеси для внутреннего смесеобразования с предварительной обработкой компонентов топливной смеси перед впуском. Внутреннее сгорание топливной смеси осуществляют с непрерывным, смешанным или пульсирующим подводом теплоты в камере сгорания, в том числе с принудительным воспламенением от электрической искры или с впрыском легкого топлива. Продолженное (непрерывное) расширение рабочих тел осуществляют через объемные или лопаточные устройства, имеющие валы отбора мощности для совершения механической работы, включая вал для преодоления внешней нагрузки. Для повышения к.п.д. и расширения функциональных возможностей ТД, в частности по обеспечению устойчивой, надежной и безотказной работы ТД, дублируют работу раздельных индивидуальных функциональных систем сжатия, подвода теплоты и расширения, соединенных между собой как последовательно, так и параллельно при осуществлении термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения. Во время осуществления термодинамического процесса расширения разделяют механическую работу на собственные потребности ТД и на преодоление внешней нагрузки, при работе утилизируют тепловые потери ТД компонентами топливной смеси. В бинарном рабочем цикле ТД применяют как основные, так и дополнительные компоненты топливной смеси, например, моторное топливо и воздух, а также перекись водорода, воду или антифриз. Компоненты топливной смеси подают в процессе сжатия насосами и компрессорами по магистралям функциональных систем двигателя через последовательный ряд обратных клапанов в теплообменные отсеки. В теплообменных отсеках запасают компоненты топливной смеси, постоянно их восполняют во время работы и подготавливают теплообменными процессами к внутреннему смесеобразованию. В РИВ запасают, нагревают, ионизируют и озонируют сжатый воздух. В ГРМ камеры сгорания упреждают процесс подвода теплоты, совмещают его с завершением процесса сжатия (компонентов топливной смеси) и интенсифицируют процесс гомогенизации топливной смеси (топлива и воздуха). Для этого применяют электротермическую обработку сжатого озонированного воздуха и жидкого топлива в ГРМ, так как дополнительно подводят теплоту фазового превращения и осуществляют с жидким топливом фазовый переход первого рода. Завершают процесс сжатия внутренним смесеобразованием, образуют топливный заряд в камере сгорания, для чего открывают частично или полностью жиклеры плавающего поршня ГРМ приводом управления ГРМ и в камере сгорания ТМ образуют вихревую топку с самовоспламенением гомогенной турбулентной топливной смеси. В процессе подвода теплоты внутреннего сгорания в камере сгорания дублируют воспламенение и поддерживают горение топливной смеси электрическими разрядами, а также дополнительно окисляют топливную смесь перекисью водорода, чем обеспечивают надежное полное высокоскоростное сгорание топливной смеси и тепловыделение в камере сгорания. Высокоскоростное сгорание и тепловыделение в камере сгорания осуществляют как после, так и во время внутреннего смесеобразования с частотой колебательных возвратно-поступательных перемещений плавающего поршня ГРМ при избыточных давлениях процессов сжатия, которые сличают через плавающий поршень ГРМ с давлениями процессов подвода теплоты и расширения бинарных рабочих тел в камере сгорания перед последующим смесеобразованием. В процессе подвода теплоты внутреннего сгорания часть тепла используют для подготовки компонентов топливной смеси, в том числе в камере сгорания с комбинированным расширительным соплом подводят теплоту внешнего сгорания и постепенно нагревают воду, применяемую в незамкнутой системе охлаждения двигателя, совмещают процесс расширения рабочих тел с процессом подвода внешней теплоты и превращают в парогенераторе нагретую воду в перегретый пар, перемешивают в комбинированном расширительном сопле перегретый пар с истекающим газовым потоком в процессе расширения рабочих тел и создают комбинированный бинарный парогазовый поток. Тангенциально направленный суммарный импульс сил парогазового потока воздействует на трехвальный поршневой ротор, где преобразуют в механическую работу бинарный цикл больших давлений рабочих тел в малых герметичных объемах расширения и малые давления рабочих тел в больших негерметичных объемах расширения. При равенстве теплового и механического баланса двигателя ускоренным вращением вала тягового роторного колеса включают обгонные муфты и обеспечивают синхронное вращение валов роторных колес. Через роторные колеса ТПР в МР распределяют механическую работу на собственные потребности МС и на преодоление внешней нагрузки двигателя. При увеличении внешней нагрузки перераспределяют асинхронное вращение роторных колес, замедленным вращением вала тягового роторного колеса и (или) ускоренным вращением валов компрессорных роторных колес выключают обгонные муфты. Нарушенный тепловой и механический баланс двигателя корректируют ускоренным вращением валов компрессорных роторных колес и увеличивают поступление компонентов топливной смеси через групповой привод механической передачи и (или) привод управления ГРМ, восполняют собственные потребности двигателя и восстанавливают его устойчивую работу. Таким образом, образуют самонастраивающийся комбинированный бинарный рабочий цикл двигателя, в котором осуществляют как внутренний, так и внешний подвод теплоты для нагрева бинарных рабочих тел с одновременной последовательностью воплощения термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, где сравнивают по положению плавающего поршня ГРМ влияние внешней нагрузки с установленным уровнем смесеобразования и тепловыделения, сочетают их и совмещают с непрерывным или смешанным или пульсирующим подводом теплоты в камере сгорания, чем и обеспечивают в автоматическом режиме устойчивую работу ТД, самоприспосабливающегося к изменению внешней нагрузки с самоустанавливающимся перераспределением установленного смесеобразования в диапазоне внешних скоростных характеристик двигателя, а в системе управления "человек-машина" ручным режимом работы изменяют установленное смесеобразование, корректируя подачу компонентов топливной смеси через привод управления ГРМ, в частности их основной тепловыделяющей части (топлива и воздуха), и обеспечивают тепловыделение в камере сгорания, по усмотрению человека при определенных режимах работы ТД включают или отключают как частично, так и полностью, отдельные агрегаты ТД, например камеры сгорания, изменяют при этом мощность ТД, поддерживая тепловой и механический баланс в оптимальном диапазоне внешних скоростных характеристик ТД, обеспечивают его устойчивую работу.The TDVSM used a method of operating a TD of internal combustion, including (containing) a duty cycle, including a binary one, with the simultaneous sequence of the implementation of thermodynamic processes of compression, heat supply and expansion. The way of working in the TD provides for separate receipt of the components of the fuel mixture for internal mixture formation with pre-treatment of the components of the fuel mixture before the inlet. The internal combustion of the fuel mixture is carried out with a continuous, mixed or pulsed supply of heat in the combustion chamber, including with forced ignition from an electric spark or with the injection of light fuel. Continued (continuous) expansion of the working fluid is carried out through volumetric or vane devices having power take-off shafts for mechanical work, including a shaft to overcome the external load. To increase the efficiency and expanding the functional capabilities of APs, in particular, to ensure stable, reliable and trouble-free operation of APs, duplicate the work of separate individual functional systems of compression, heat supply and expansion, interconnected both in series and in parallel during thermodynamic processes of compression, heat supply and expansion . During the implementation of the thermodynamic expansion process, the mechanical work is divided into the TD's own needs and to overcome the external load; during operation, the heat losses of the TD are utilized by the components of the fuel mixture. In the binary duty cycle of the AP, both the main and additional components of the fuel mixture are used, for example, motor fuel and air, as well as hydrogen peroxide, water or antifreeze. The components of the fuel mixture are supplied during compression by pumps and compressors along the lines of the functional systems of the engine through a series of check valves to the heat exchange compartments. The components of the fuel mixture are stored in the heat-exchange compartments, constantly replenished during operation and prepared by heat-exchange processes for internal mixture formation. Compressed air is stored, heated, ionized and ozonized in the RIV. In the timing of the combustion chamber, the heat supply process is anticipated, combined with the completion of the compression process (components of the fuel mixture) and the process of homogenization of the fuel mixture (fuel and air) is intensified. For this, the electrothermal treatment of compressed ozonized air and liquid fuel in the timing is used, since the heat of phase transformation is additionally supplied and a first-order phase transition is carried out with liquid fuel. The compression process is completed by internal mixture formation, a fuel charge is formed in the combustion chamber, for which purpose the jets of the floating timing piston are opened by the timing control actuator and in the TM combustion chamber they form a vortex furnace with self-ignition of a homogeneous turbulent fuel mixture. In the process of supplying the heat of internal combustion in the combustion chamber, the ignition is duplicated and the combustion of the fuel mixture is supported by electric discharges, and the fuel mixture is also oxidized with hydrogen peroxide, which ensures reliable complete high-speed combustion of the fuel mixture and heat generation in the combustion chamber. High-speed combustion and heat dissipation in the combustion chamber is carried out both after and during internal mixture formation with the frequency of oscillatory reciprocating movements of the floating timing piston at excessive pressures of the compression processes, which compare through the floating timing piston with the pressures of heat supply and expansion of binary working fluids in combustion chamber before subsequent mixture formation. In the process of supplying the heat of internal combustion, part of the heat is used to prepare the components of the fuel mixture, including in the combustion chamber with a combined expansion nozzle, the heat of external combustion is supplied and the water used in the open cooling system of the engine is gradually heated, the process of expanding the working fluid with the process of supplying external heat and turn heated water in a steam generator into superheated steam, mix the superheated steam with the expiring gas sweat in the combined expansion nozzle com in the process of expansion working fluids and creates a binary combined steam-gas stream. The tangentially directed total momentum of the vapor-gas flow forces acts on the three-shaft piston rotor, where the binary cycle of high pressures of working fluids in small sealed expansion volumes and low pressures of working fluids in large unpressurized expansion volumes are converted into mechanical work. If the thermal and mechanical balance of the engine is equal, the accelerated rotation of the shaft of the traction rotor wheel includes overrunning clutches and provides synchronous rotation of the shafts of the rotor wheels. Through the rotor wheels, the TPR in the MR distributes the mechanical work to the own needs of the MS and to overcome the external load of the engine. With an increase in external load, the asynchronous rotation of the rotor wheels is redistributed, the overrunning clutches are turned off by the slow rotation of the traction rotor wheel shaft and (or) the accelerated rotation of the compressor rotor wheel shafts. The violated thermal and mechanical balance of the engine is corrected by the accelerated rotation of the shafts of the compressor rotor wheels and increase the flow of components of the fuel mixture through a group drive of a mechanical transmission and (or) a timing control drive, fill the engine's own needs and restore its stable operation. Thus, they form a self-tuning combined binary operating cycle of the engine, in which both internal and external heat supply is carried out to heat the binary working fluid with a simultaneous sequence of thermodynamic compression, heat supply and expansion processes, where the influence of the external load is compared by the position of the timing piston with a set level of mixing and heat generation, combine them and combine with a continuous or mixed or pulsating supply of heat in the chamber combustion, and this ensures automatic operation of the AP, which automatically adapts to changes in the external load with a self-adjusting redistribution of the established mixture formation in the range of external engine speed characteristics, and in the human-machine control system, the established mixture formation is changed by manual operation, adjusting the flow of the fuel mixture components through the timing control drive, in particular their main fuel part (fuel and air), and provide heat e in the combustion chamber, at the person’s discretion, at certain operating modes of the APs, they turn on or off partially or completely, individual units of the APs, for example, the combustion chambers, change the power of the APs while maintaining thermal and mechanical balance in the optimal range of external speed characteristics of the APs, ensure its stable operation.
Способ работы осуществляют в ТДВСМ взаимосвязанными многофункциональными устройствами, при этом устройство теплового двигателя внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием, подводом теплоты и продолженным расширением рабочих тел содержит корпус, размещенные в нем топливные и воздушные фильтры, насосы, компрессоры, стартеры, генераторы, газораспределительные механизмы и регулирующие устройства, камеры сгорания и объемные или лопаточные преобразующие силовые устройства с валами отбора мощности для совершения механической работы, включая вал для преодоления внешней нагрузки. Для повышения к.п.д. и расширения функциональных возможностей двигателя в ТД введены функционально самостоятельные боковые МС и центральный МР с ТМ. Тепловой двигатель создан модульным соединением, причем его индивидуальные магистрали сжатия и расширения (топливо-, масло-, газо- и воздухопроводы и т.п.) скрытно выполнены в модулях (МС, МР и ТМ), соединены между собой как последовательно, так и параллельно, и окончательно сформированы ТМ. В МС введены элементы, осуществляющие термодинамические процессы сжатия. В МР введены ТМ и элементы, соответственно осуществляющие термодинамические процессы внутреннего и внешнего подвода теплоты и расширения рабочих тел в бинарном рабочем цикле ТД. МС, закрытый кожухом, собран на основании, где установлены фильтры, роторные насосы, РПК, стартеры, генераторы и их валы пропущены через основание, в котором установлен групповой привод механической передачи, обеспечивающий кинематическое соединение валов между МС и МР. В основании выполнены открытые раздельные магистральные каналы сжатия функциональных систем впуска двигателя, куда установлены обратные клапаны для направленной подачи компонентов топливной смеси в МР. Через основание пропущены эжекторные трубки, соединенные с воздушным фильтром для удаления пыли. МР собран в корпусе, который соединен из двух боковых корпусных стенок. Корпусные стенки выполнены с теплообменными ребрами жесткости, разнообразными монтажными элементами и открытыми нераздельными каналами магистралей сжатия и расширения. Боковыми стенками при сборке корпуса сформирована конфигурация единой магистрали сжатия и расширения, а также разнообразные теплообменники, патрубки, фланцы и монтажные элементы, причем выпускные отверстия, центральный монтажно-теплообменный отсек и направляющие отверстия магистралей расширения соединены с периферийно размещенными большими и малыми монтажно-теплообменными отсеками магистралей сжатия. При этом в каждом большом монтажно-теплообменном отсеке сформирован патрубок с крепежным фланцем. Внутри патрубка сформированы малые монтажно-теплообменные отсеки и в магистралях сжатия установлены обратные клапаны для направленной односторонней подачи компонентов топливной смеси в ТМ. В центральный монтажно-теплообменный отсек введен ТПР, установленный между боковыми корпусными стенками. В ТПР введены боковые компрессорные поршневые роторные колеса и центральное тяговое поршневое роторное колесо. Компрессорные поршневые роторные колеса выполнены с односторонними пустотелыми валами отбора мощности, обеспечивая собственные потребности двигателя через кинематические соединения с групповыми приводами механических передач в МС. Центральное тяговое поршневое роторное колесо выполнено с двухсторонним валом отбора мощности, который для преодоления внешней нагрузки ТД пропущен через МС. Валы роторных колес, установленные в подшипниках с размещенными между валами обгонными муфтами, собраны по принципу "вал в валу" с обеих сторон центрального тягового роторного колеса. Роторные колеса, образуя боковыми поверхностями лабиринтные уплотнения в центральном монтажно-теплообменном отсеке, выполнены с равномерно распределенными по окружности внутренними поршневыми лопастями. Поршневые лопасти, обеспечивая герметичное плотное скольжение по внутренней цилиндрической поверхности центрального монтажно-теплообменного отсека в зонах соединения с направляющими отверстиями магистралей расширения, превращают каждой поршневой лопастью в механическую работу большие давления рабочих тел в малых объемах расширения. Затем, превращая поршневыми лопастями в механическую работу малые давления рабочих тел в больших объемах расширения, в центральный монтажно-теплообменный отсек введены постепенно расширяющиеся каналы, плавно превращающие внутреннюю цилиндрическую поверхность в ребристо-цилиндрическую полость центрального монтажно-теплообменного отсека и выпускные отверстия магистралей расширения. В выпускные отверстия выведены эжекторные трубки для удаления пыли из воздушных фильтров МС и введены капиллярные теплообменники для утилизации тепловых потерь выхлопных газов и снижения их шумов. В монтажно-теплообменные отсеки магистралей сжатия и направляющие отверстия магистралей расширения введены ТМ, осуществляющие при внутреннем смесеобразовании термодинамические процессы внутреннего и внешнего подвода теплоты и расширения рабочих тел в бинарном рабочем цикле ТД. Для этого в ТМ введены ГРМ, секционный теплообменник и парогенератор, из которых в корпусной конусно-цилиндрической оболочке ТМ образована камера сгорания с комбинированным расширительным соплом. Установленными ТМ выделены и окончательно сформированы раздельные магистрали сжатия и расширения, образовавшиеся в результате взаимосвязанного соединения разнообразных жиклеров, осевых и радиальных каналов, выполненных в корпусной конусно-цилиндрической оболочке, конусообразной оболочке расширительного сопла, ребристо-канальном куполе испарителя, теплообменной оболочке камеры сгорания и ГРМ, которые последовательно установлены и соединены внутри корпусной конусно-цилиндрической оболочки ТМ. При этом парогенератор создан внутри корпусной конусно-цилиндрической оболочки, где конусообразной оболочкой расширительного сопла и ребристо-канальным куполом испарителя сформировано комбинированное расширительное сопло. Парогенератор выполнен как газотрубный котел, охватывающий расширяющуюся и сужающуюся внешнюю часть расширительного сопла, тогда как внутренняя часть расширительного сопла, начинающая магистраль расширения, соединена через сквозное отверстие ребристо-канального купола испарителя с камерой сгорания. Камера сгорания сформирована в ТМ ребристо-канальным куполом испарителя, секционным теплообменником и совмещена с ГРМ, завершающим ее формирование. Секционный теплообменник камеры сгорания создан теплообменной оболочкой камеры сгорания внутри корпусной конусно-цилиндрической оболочки и сформирован с теплообменными отсеками, которые через магистрали сжатия соединены с парогенератором (для воды), камерой сгорания (для окислителя) и ГРМ (для топлива). В ГРМ введены плавающий поршень, топливный преобразователь, регулировочный клапан и предохранительный клапан. Плавающий поршень, завершая формирование камеры сгорания и магистралей сжатия функциональных систем впуска воздуха, топлива и дополнительного окислителя, выполнен с отсеками, кольцевыми, осевыми и радиальными каналами, топливными и воздушными жиклерами для внутреннего смесеобразования в камере сгорания, помещен в секционный теплообменник, перекрывая его окислительные жиклеры, и прижат пружиной, зафиксированной гайкой в корпусной оболочке камеры сгорания. В отсеки плавающего поршня ввернуты свечи зажигания, установлены обратные клапаны автоматической подачи воздуха и введен топливный преобразователь, который выполнен с теплообменным отсеком, кольцевыми, осевыми и радиальными каналами и топливными жиклерами, перекрытыми плавающим поршнем. Топливный преобразователь совмещен с регулировочным клапаном, обеспечивающим поступление сжатого воздуха в корпусную конусно-цилиндрическую оболочку ТМ, и соединен с приводом управления работой двигателя. В теплообменные отсеки топливного преобразователя и корпусную конусно-цилиндрическую оболочку ТМ введены элементы электротермической обработки топлива и воздуха, установлен предохранительный клапан, сбрасывающий избыточное давления сжатого воздуха в ГРМ или магистраль расширения. Каждый ТМ вставлен в патрубок большого монтажно-теплообменного отсека, где его корпусная конусно-цилиндрическая оболочка цилиндрической частью введена в направляющее отверстие магистрали расширения, усеченно-коническими частями прижата к коническим стенкам монтажно-теплообменных отсеков и присоединена к фланцу патрубка крепежными элементами. Вне патрубка корпусная конусно-цилиндрическая оболочка ТМ размещена в большом монтажно-теплообменном отсеке, при этом усеченно коническими частями в нераздельной магистрали сжатия сформированы раздельные, герметично замкнутые монтажно-теплообменные отсеки магистралей сжатия. ТМ в МР разграничена нераздельная конфигурация больших и малых монтажно-теплообменных отсеков и магистральных каналов сжатия. В каждом большом монтажно-теплообменном отсеке, герметично закрытом крышкой, создан РИВ, куда введен ионизатор для продолжительной ионизации сжатого воздуха. Каждым ТМ выделены, сформированы и завершены индивидуальные магистрали сжатия и расширения функциональных систем двигателя. Функциональные системы, обеспечивающие рабочий цикл двигателя, объединены, продублированы и выполнены с последовательными и параллельными соединениями, упрощая в ТД одновременное и независимое от внешней нагрузки осуществление термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения. Приводом управления обеспечено подключение отдельных агрегатов ТД, например камер сгорания, а также расширены функциональные возможности ТД, обеспечивающие при различных режимах эксплуатации его устойчивую работу.The method of operation is carried out in the TDVSM interconnected multifunctional devices, while the device of the internal combustion engine with internal mixture formation, heat supply and continued expansion of the working fluid contains a housing, fuel and air filters placed therein, pumps, compressors, starters, generators, gas distribution mechanisms and control devices, combustion chambers and volumetric or blade transforming power devices with power take-off shafts for performing mechanical work bots, including a shaft to overcome the external load. To increase the efficiency and expanding the engine's functionality, the TD introduced functionally independent lateral MCs and a central MR with TM. The heat engine is created by a modular connection, and its individual compression and expansion lines (fuel, oil, gas and air pipelines, etc.) are secretly made in modules (MC, MP and TM), interconnected both in series and in parallel, and finally formed TM. Elements that implement thermodynamic compression processes have been introduced into the MS. TM and elements are introduced into the MR, respectively, carrying out the thermodynamic processes of internal and external heat supply and expansion of working fluids in the binary working cycle of the TD. The MS, closed by a casing, is assembled on the basis where the filters, rotary pumps, RPK, starters, generators and their shafts are installed, passed through the base, in which the group drive of the mechanical transmission is installed, providing a kinematic connection of the shafts between the MS and MP. At the base, open separate trunk compression channels for functional engine intake systems are made, where check valves are installed for the directional supply of fuel mixture components to the MP. Ejector tubes connected to the air filter to remove dust are passed through the base. MP is assembled in a housing that is connected from two side housing walls. The case walls are made with heat transfer stiffeners, various mounting elements and open inseparable channels of the compression and expansion lines. The side walls during assembly of the housing formed the configuration of a single compression and expansion line, as well as a variety of heat exchangers, nozzles, flanges and mounting elements, and the outlet openings, the central mounting and heat exchange compartment and the guide holes of the expansion lines are connected to peripherally placed large and small mounting and heat exchange compartments trunk compression. At the same time, a branch pipe with a mounting flange is formed in each large mounting and heat-exchange compartment. Small assembly and heat-exchange compartments are formed inside the nozzle and check valves are installed in the compression lines for directional unilateral supply of the fuel mixture components to the TM. In the central mounting and heat exchange compartment, a TPR is installed, installed between the side housing walls. Side compressor piston rotor wheels and a central traction piston rotor wheel are introduced in the TPR. Compressor piston rotor wheels are made with one-sided hollow power take-off shafts, providing the engine's own needs through kinematic connections with group drives of mechanical transmissions in the MC. The central traction piston rotor wheel is made with a two-sided power take-off shaft, which is passed through the MS to overcome the external load. Shafts of rotor wheels installed in bearings with freewheeling couplings located between the shafts are assembled according to the "shaft in shaft" principle on both sides of the central traction rotor wheel. The rotor wheels, forming labyrinth seals in the central mounting and heat-exchange compartment, on the side surfaces, are made with internal piston vanes uniformly distributed around the circumference. Piston blades, providing tight tight sliding along the inner cylindrical surface of the central mounting and heat-exchange compartment in the areas of connection with the guide holes of the expansion lines, turn each piston blade into mechanical work with large pressures of the working bodies in small expansion volumes. Then, turning small pressure of the working fluid in large volumes of expansion by piston blades into mechanical work, gradually expanding channels are introduced into the central mounting and heat exchange compartment, smoothly turning the inner cylindrical surface into the rib-cylindrical cavity of the central mounting and heat exchange compartment and the outlet openings of the expansion lines. Ejector tubes are removed into the exhaust openings to remove dust from the MS air filters and capillary heat exchangers are introduced to utilize the heat losses of the exhaust gases and reduce their noise. TMs were introduced into the assembly and heat-exchange compartments of the compression mains and the guide openings of the expansion mains, which during the internal mixture formation thermodynamic processes of internal and external heat supply and expansion of the working fluid in the binary operating cycle TD. For this purpose, a timing belt, a sectional heat exchanger and a steam generator are introduced into the TM, from which a combustion chamber with a combined expansion nozzle is formed in the TM conical-cylindrical shell. The installed TMs isolated and finally formed separate compression and expansion lines formed as a result of the interconnected connection of various nozzles, axial and radial channels made in a shell cone-cylindrical shell, a cone-shaped shell of the expansion nozzle, a ribbed channel dome of the evaporator, a heat-exchange shell of the combustion chamber and the timing which are sequentially installed and connected inside the housing conical-cylindrical shell TM. In this case, the steam generator is created inside the body conical-cylindrical shell, where a combined expansion nozzle is formed by the conical shell of the expansion nozzle and the ribbed-channel dome of the evaporator. The steam generator is designed as a gas tube boiler, covering the expanding and tapering outer part of the expansion nozzle, while the inner part of the expansion nozzle starting the expansion line is connected through the through hole of the finned channel evaporator dome to the combustion chamber. The combustion chamber is formed in the TM with a rib-channel dome of the evaporator, a sectional heat exchanger and combined with the timing, completing its formation. The sectional heat exchanger of the combustion chamber is created by the heat-exchange shell of the combustion chamber inside the conical-cylindrical shell body and is formed with heat-exchange compartments, which are connected via a compression line to a steam generator (for water), a combustion chamber (for an oxidizer), and a timing belt (for fuel). The timing piston includes a floating piston, a fuel converter, a control valve and a safety valve. The floating piston, completing the formation of the combustion chamber and compression lines of the functional systems of air intake, fuel and an additional oxidizer, is made with compartments, annular, axial and radial channels, fuel and air jets for internal mixture formation in the combustion chamber, placed in a sectional heat exchanger, blocking its oxidizing jets, and pressed by a spring fixed by a nut in the housing shell of the combustion chamber. Spark plugs are screwed into the compartments of the floating piston, automatic air supply check valves are installed and a fuel converter is introduced, which is made with a heat exchange compartment, annular, axial and radial channels and fuel nozzles covered by the floating piston. The fuel converter is combined with a control valve that provides compressed air to the TM case-conical shell, and is connected to the engine control drive. Elements of the electrothermal processing of fuel and air are introduced into the heat-exchange compartments of the fuel converter and the case conical-cylindrical shell ТМ, a safety valve is installed, which relieves excess pressure of compressed air into the timing or expansion line. Each TM is inserted into the pipe of a large mounting and heat-exchange compartment, where its body conical-cylindrical shell is inserted into the guide hole of the expansion line with a cylindrical part, is pressed against the conical walls of the mounting and heat-exchange compartments by truncated-conical parts, and attached to the pipe flange by fasteners. Outside the nozzle, the case conical-cylindrical shell ТМ is located in a large mounting and heat-exchange compartment, while separate, hermetically closed mounting and heat-exchange compartments of the compression mains are truncated by conical parts in the inseparable compression line. TM in MR distinguishes the inseparable configuration of large and small mounting and heat-exchange compartments and main compression channels. In each large assembly and heat-exchange compartment, hermetically sealed with a lid, a RIV has been created where an ionizer is introduced for continuous ionization of compressed air. Each TM allocated, formed and completed individual lines of compression and expansion of the functional systems of the engine. Functional systems providing the engine’s duty cycle are combined, duplicated and made with serial and parallel connections, simplifying in the TD simultaneous and independent of external load the implementation of thermodynamic processes of compression, heat supply and expansion. The control drive provides the connection of individual TD units, for example, combustion chambers, and the TD functionality has been expanded to ensure its stable operation under various operating conditions.
Многообразие вероятных конструкций ТДВСМ зависит от конструкторско-технологических возможностей его создания, определяется выбором материалов и соотношением геометрических размеров элементов конструкции двигателя в результате оптимизации расчетных значений его основных рабочих параметров и технико-экономических характеристик, выполненных на основе многофакторного анализа. Представленные чертежи показывают принципиальное решение устройства ТДВСМ. В описании ТДВСМ приводятся комментарии возможных аналогичных технических предложений по ТД, принципиально не меняющих полезности и новизны предлагаемого двигателя.The variety of probable designs of TDVSM depends on the design and technological capabilities of its creation, is determined by the choice of materials and the ratio of the geometric dimensions of the engine structural elements as a result of optimization of the calculated values of its main operating parameters and technical and economic characteristics based on multivariate analysis. The presented drawings show a fundamental solution of the TDVSM device. The TDVSM description provides comments on possible similar technical proposals for TDs that do not fundamentally change the utility and novelty of the proposed engine.
Сущность изобретения поясняется кратким описанием конструкции ТДВСМ и его работы, иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, ... фиг.8.The invention is illustrated by a brief description of the design of the TDVSM and its operation, is illustrated by the drawings presented in figure 1, ... figure 8.
На фиг.1 показан общий вид модульной конструкции ТДВСМ.Figure 1 shows a General view of the modular design TDVSM.
На фиг.2 показана конструкция ТДВСМ в виде "прозрачного" изображения.Figure 2 shows the design of TDMS in the form of a "transparent" image.
На фиг.3 показан модуль сжатия ТДВСМ в виде "прозрачного" изображения.Figure 3 shows the compression module TDVSM in the form of a "transparent" image.
На фиг.4 показан модуль расширения ТДВСМ в виде "прозрачного" изображения.Figure 4 shows the expansion module TDVSM in the form of a "transparent" image.
На фиг.5 показан тепловой модуль, установленный в монтажно-теплообменные отсеки модуля расширения.Figure 5 shows the thermal module installed in the mounting and heat exchange compartments of the expansion module.
На фиг.6 показана конструкция теплового модуля.Figure 6 shows the design of the thermal module.
На фиг.7 показаны варианты унификации ТДВСМ, которые позволяют частично или полностью использовать несколько двигателей и камер сгорания одновременно.Figure 7 shows the options for unification TDVSM, which allow partially or fully use several engines and combustion chambers at the same time.
На фиг.8 показана принципиальная схема, поясняющая способ работы ТДВСМ.On Fig shows a schematic diagram explaining the method of operation of the TDVSM.
В описании изобретения указаны позиционные обозначения (как сборочных единиц и деталей, так и отдельных их конструктивных элементов) по тексту и чертежам, представленным на фиг.1, ... фиг.8. Они указаны с единой сквозной нумерацией, раскрывающей и конкретизирующей содержание ТДВСМ, поэтому, случайно отсутствующее позиционное обозначение может быть восполнено или пояснено с другого чертежа и текста его описания.In the description of the invention, reference designations are indicated (as assembly units and parts, as well as their individual structural elements) according to the text and drawings presented in FIG. 1, ..., FIG. They are indicated with a single end-to-end numbering, revealing and concretizing the contents of the TDVSM, therefore, a randomly missing position designation can be supplemented or explained from another drawing and the text of its description.
На фиг.1 показывается ТДВСМ, как устройство с модульной иерархической структурой построения. Он конструктивно состоит из трех самостоятельных (по рабочему циклу двигателя) функциональных модулей: двух боковых вспомогательных модулей сжатия МС1, МС2 и одного центрального силового модуля расширения МР3. МС осуществляют термодинамические процессы сжатия (впуск и сжатие), в том числе и с разной производительностью МС1 и МС2. МР3 осуществляет термодинамические процессы подвода теплоты и расширения (рабочий ход и выпуск). МС1 и аналогичный ему МС2, имеющий зеркальное отражение (в составе самостоятельных функциональных модулей: группы РПК; насосов; стартеров, генераторов и т.п.), обеспечивают при энергетических затратах собственные потребности самого двигателя: предстартовую подготовку двигателя от стартера; многоступенчатое сжатие воздуха; подачу жидких рабочих тел; работу системы электрооборудования. Применение двух боковых модулей МС1 и МС2 в ТДВСМ не только уменьшает непроизводительные энергетические (главным образом тепловые) потери двигателя, но и повышает плавность, устойчивость и надежность его безотказной работы. Центральный силовой МР3 осуществляет в составе конструктивно объединенных подмодулей (РИВ; ТМ; ТПР) дальнейшие энергетические преобразования, которые завершаются выполнением механической работы с самоустанавливающимся энергетическим разделением на внутреннюю (самого двигателя) и внешнюю (дорожное сопротивление) нагрузки. ТДВСМ для преодоления разнообразных внешних нагрузок имеет двухсторонний центральный выходной вал отбора мощности 4 (вал внешней нагрузки).Figure 1 shows TDVSM, as a device with a modular hierarchical structure of construction. It constructively consists of three independent (on the engine operating cycle) functional modules: two lateral auxiliary compression modules MC1, MC2 and one central power expansion module MP3. MS carry out thermodynamic compression processes (inlet and compression), including those with different capacities of MC1 and MS2. MP3 carries out thermodynamic processes of heat supply and expansion (working stroke and exhaust). MS1 and its equivalent MS2, which is mirrored (as part of independent functional modules: RPK groups; pumps; starters, alternators, etc.), provide for the energy needs of the engine itself: pre-start preparation of the engine from the starter; multistage air compression; supply of liquid working fluid; the operation of the electrical system. The use of two side modules MS1 and MS2 in the TDVSM not only reduces the unproductive energy (mainly thermal) losses of the engine, but also increases the smoothness, stability and reliability of its trouble-free operation. The central power MP3 carries out further energy transformations as part of the structurally integrated submodules (RIV; TM; TPR), which are completed by performing mechanical work with a self-installing energy separation into internal (engine itself) and external (road resistance) loads. TDVSM for overcoming various external loads has a two-sided central output shaft for power take-off 4 (external load shaft).
На фиг.2 изображена более подробная конструкция ТДВСМ. Двигатель указан в полном составе МС1, МР3 и МС2, как бы в прозрачном изображении. Основными линиями указаны явно видимые изображения конструкции, а более тонкими линиями указаны невидимые и явно невыраженные, скрытые изображения конструкции, находящиеся на разных уровневых слоях и раскрывающие сопряжения МС1 и МС2 с МР3 и (или) их внутреннее содержание. Позиционные обозначения, изображенные на фиг.2 слева, относятся к элементам конструкции боковых МС1 и МС2, а справа, относятся к элементам конструкции центрального МР3. На основании 5 МС1 и зеркальном ему МС2 размещаются функциональные модули: РПК первой ступени сжатия (РПК-1) 6, РПК второй ступени сжатия (РПК-2) 7, роторные насосы окислителя (РНО) 8, роторные насосы воды (РНВ) 9, роторные насосы масла (РНМ) 10, роторные насосы топлива (РНТ) 11, стартеры 12 и генераторы 13. Их рабочие валы имеют кинематическое соединение с групповым приводом механической передачи через ведущее зубчатое колесо 14, имеющее шлицевое соединение с валом собственных потребностей двигателя 15 (вал внутренней нагрузки). МС1 и МС2 имеет фильтр очистки воздуха 16, соединенный с дренажными трубками 17. Фильтр 16 соединяется с (РПК-1) 6, а дренажные трубки 17 имеют связь с атмосферой в районе выхлопных отверстий. Каждый боковой МС1 и МС2 закрывается защитным кожухом 18 с отверстием 19 для забора воздуха и, образуя завершенный по рабочему циклу двигателя функциональный модуль, осуществляют процессы впуска и сжатия рабочих тел двигателя (трубопроводы рабочих тел к роторным насосам на чертеже не показаны). Однако модули, входящие в состав боковых МС1 и МС2, являясь так же вполне функционально завершенными сборочными единицами, вполне могут применяться и отдельно, например, не входить в их состав, а размещаться на силовом МР3. При этом внутренние коммуникации, выполненные в виде трубопроводов, не обеспечат необходимую утилитарность (выгоду и пользу), так как любая другая конструкция с иным соединением МС1 и МС2 с МР3 не способна должным образом утилизировать неизбежные тепловые потери двигателя с пользой для его работы. Следует также отметить, что трубопроводы, установленные на двигателе, подвергаются вибрационным воздействиям, снижая надежность работы двигателя. Силовой МР3 образуется в результате синтеза (составления или соединения) нескольких подмодулей, которые, в отличие от функциональных модулей МС1 и МС2, не способны самостоятельно работать друг без друга. Необходимость и закономерность такого гибридного соединения обоснована снижением энергетических потерь и сокращением числа применяемых деталей и сборочных единиц, а также повышением работоспособности и надежности ТДВСМ. Центральный МР3 состоит из корпусной оболочки 20. В ее центральной внутренней полости устанавливается ТПР 21. ТПР 21 имеет центральный вал 4 отбора мощности для преодоления внешней нагрузки. Корпусная оболочка 20 имеет патрубок 22, внутри которого выполнено направляющее отверстие 23, сопрягающее круг с прямоугольником и соединяющее в тангенциальном направлении ТПР 21 и камеру сгорания с комбинированным расширительным соплом 24, выполненные в ТМ 25. ТМ 25 устанавливается в направляющее отверстие 23 и крепится фланцем к патрубку 22. В ТМ 25 устанавливается ГРМ 26, завершающий формирование камеры сгорания (камера сгорания - см. фиг.6) и, таким образом, ТМ 25 частично оказывается помещенным в РИВ 27. Каждый РИВ 27 создается для конкретного ТМ 25 при сборке МР3 из периферийной части корпусной оболочки 20, герметично закрытой крышками 28. В объеме РИВ 27 оказываются ГРМ 26, установленные в ТМ 25, и патрубки 22 с их теплообменными ребрами жесткости, а также установленные там ионизирующие устройства 29, теплообменные капиллярные трубки 30 и обратные клапаны 31, завершающие при сборке МС1 и МС2 с МР3 создание воздушных односторонних каналов. Выпускные отверстия 32 для удаления выхлопных газов образуются при сборке корпусной оболочки 20 и плавно соединяют постепенно расширяющуюся часть центральной внутренней полости с атмосферой внешней среды.Figure 2 shows a more detailed design TDVSM. The engine is indicated in its entirety MC1, MP3 and MC2, as if in a transparent image. The main lines indicate the clearly visible images of the structure, and the thinner lines indicate the invisible and clearly unexpressed, hidden images of the structure located on different level layers and revealing the conjugation of MC1 and MC2 with MP3 and (or) their internal content. The reference signs shown in figure 2 on the left, refer to the structural elements of the side MC1 and MC2, and on the right, refer to the structural elements of the central MP3. On the basis of 5 MS1 and mirror MS2, the functional modules are located: RPK of the first compression stage (RPK-1) 6, RPK of the second compression stage (RPK-2) 7, rotary oxidizer pumps (RNO) 8, rotary water pumps (RNV) 9, rotary oil pumps (RNM) 10, rotary fuel pumps (RNT) 11,
МС1 и МС2, изображенные на фиг.3, состоят из основания 5, на стороне установки которого размещаются функциональные модули: РПК первой ступени сжатия (РПК-1) 6, РПК второй ступени сжатия (РПК-2) 7, роторные насосы окислителя (РНО) 8, воды (РНВ) 9, масла (РНМ) 10 и топлива (РНТ) 11, а также стартеров 12 и генераторов 13 (как было указано на фиг.2). Ведущее зубчатое колесо 14 (вала внутренней нагрузки 15 МР3) имеет кинематическое соединение: с валом 33 (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, валом 34 РНО 8, валом 35 РНВ 9, валом 36 РНМ 10, валом 37 РНТ 11, валом 38 стартеров 12, валом 39 генераторов 13, зубчатыми колесами 41 и 42. Оно образует групповой привод механической передачи. (РПК-1) 6 имеет два впускных отверстия 43 и два выпускных отверстия 44. Выпускные отверстия 44, пересекая основание 5, соединяются с открытыми воздушными каналами 45 и, проходя обратно через основание 5, соединяются с впускными отверстиями 46 (РПК-2) 7, а выпускные отверстия 47 (РПК-2) 7 через основание 5 и открытый воздушный канал 48 при дальнейшей сборке двигателя соединяются с воздушными обратными клапанами 31. Аналогичным образом в основании 5 каналы охлаждения 50 от РНВ 9 к (РПК-1) 6, каналы охлаждения 51 от (РПК-1) 6 к (РПК-2) 7, каналы охлаждения 52 от (РПК-2) 7 к (РПК-1) 6 и каналы охлаждения 53 от (РПК-1) 6 подсоединяются в дальнейшем к жидкостному обратному клапану 54. РНО 8 через канал окислителя 55 соединяется с жидкостным обратным клапаном 56. РНМ 10 через разветвленный масляный канал 57 соединяется с элементами для смазки группового привода механической передачи. РНТ 11 через топливный канал 58 соединяется с жидкостным обратным клапаном 59. При сборке МС1 и МС2 с МР3 перечисленные открытые каналы становятся закрытыми и герметичными. Они обеспечивают по своему функциональному назначению соответствующую подачу топливных компонентов (воздуха, воды, окислителя, масла и топлива) из МС1 и МС2 в МРЗ в одностороннем порядке (через обратные клапаны) и перепускные предохранительные клапаны роторных насосов. Воздушный фильтр 16 крепится своим корпусом к впускным отверстиям 43 (РПК-1) 6. Он также соединен с дренажной трубкой 17, через которую удаляется пыль при фильтрации воздуха. Система электрооборудования снабжена электрическими соединителями (на чертеже не показаны), которые обеспечивают соединение с потребителями электроэнергии. Все функциональные модули и элементы конструкции МС1 и МС2 собраны и установлены на основании 5. Они крепятся известными техническими решениями (на чертеже не указаны) и после монтажа МС1 и МС2 к МР3 закрываются защитным кожухом 18, обеспечивающим через заборное отверстие 19, охватывающее вал отбора мощности 4, поступление воздуха в воздушный фильтр 16.MS1 and MS2, shown in figure 3, consist of a
МР3, изображенный на фиг.4, образован в результате синтеза (составления или соединения) конструкций функциональных подмодулей (самостоятельно не функциональных сборочных единиц). Необходимость и закономерность гибридного соединения нескольких подмодулей в единый модуль обоснована снижением энергетических потерь (в основном тепловых) и сокращением числа применяемых деталей и сборочных единиц. МР3 создается из корпусной оболочки 20, собираемой из двух симметричных корпусных боковых стенок 61 и 62. Стенки 61 и 62 имеют сложную геометрически развитую форму, образованную сопряжением плоских боковых поверхностей с внутренними и наружными, как гладкими, так и разноребристыми, цилиндрическими поверхностями, которые выполнены как соосно, так и с параллельным смещением геометрических осей цилиндров, образующих оболочку. Собранная корпусная оболочка 20 образует не только внутреннюю цилиндрическую полость (под установку ТПР 21), соединенную в патрубке 22 отверстиями 23, выполненными с поверхностью в виде "архитектурного тромпа" для установки ТМ 25 (с расширительным соплом 24, камерой сгорания ТМ 25 и ее ГРМ 26), но и наружную полузамкнутую поверхность (для установки ионизирующих устройств 29 и капиллярных теплообменников 30), которая при герметичном закрытии крышками 28 формирует РИВ 27, представляющий собой герметичный отсек (камеру) для накопления сжатого воздуха и его ионизации. ТПР 21 состоит из центрального многопоршневого роторного колеса 63 с центральным валом 4 внешней нагрузки, расположенным по обе стороны роторного колеса 63, и двух боковых, многопоршневых компрессорных роторных колес 64, каждое из которых имеет одностороннее расположение компрессорного вала 15 внутренней нагрузки и ведущие зубчатые колеса 14 группового привода механической передачи. Многопоршневые роторные колеса образованы из равномерно чередующихся по наружной окружности полузамкнутых поршневых лопастей 65 и 66, соответственно центрального роторного колеса 63 и компрессорных роторных колес 64, выполненных по периферии внутри боковых стенок каждого роторного колеса. ТПР 21 собирается по известному принципу "вал в валу". Между валами 4 и 15 установлены подшипники 67 скольжения и обгонные муфты 68. Сопряжения боковых стенок роторных колес 63 и 64 между собой и с боковыми корпусными стенками 61 и 62 образуют концентричные лабиринтные уплотнения 69, которые компенсируют торцевые зазоры между роторными колесами 63 и 64 и (или) стенками 61 и 62, препятствуя утечке рабочего тела (расширяющихся выхлопных газов). Собранный ТПР 21 устанавливается в герметичной внутренней цилиндрической полости оболочки 20, которая выполнена с чередующимися плавными переходами от гладкой внутренней цилиндрической поверхности 70 до внутренней ребристой разрастающейся поверхности 71, постепенно увеличивающейся и пересекающейся с выпускным отверстием 32 для удаления отработанных газов и отверстиями дренажной трубки 17 для отсоса (удаления) пыли из воздушного фильтра, а в районе гладкой цилиндрической поверхности 70 выполнен прилив в виде патрубка (штуцера) 22 со сквозным направляющим отверстием 23. Отверстие 23 переходит плавно от прямоугольного сечения в круглое (в виде архитектурного тромпа) и обеспечивает тангенциальное сопряжение поршневых лопастей 65 и 66 с комбинированным расширительным соплом 24 и камерой сгорания ТМ 25. ТМ 25 фланцем 73 крепится к патрубку 22. В патрубке 22, собранном из корпусных стенок 61 и 62, выполнены концентрично круглому отверстию 23 кольцевые каналы. Они образуют при установке ТМ 25 герметичные отсеки: отсек для охладителя 74 (воды), отсек для окислителя 75 (перекиси водорода) и отсек для жидкого топлива 76 (бензин, керосин, дизельное топливо, спирт и т.п.). В разноуровневые сквозные отверстия, пересекающие корпусные стенки 61 и 62 до кольцевых каналов, установлены соответственно обратные клапаны: клапан 54 (воды), клапан 56 (перекиси водорода) и клапан 59 (топлива). Установка обратных клапанов производится в МР3, что предпочтительней, чем в МС1 и МС2 (МС показаны частью кожуха 18 и основанием 5 с ведущим зубчатым колесом 14). Это позволяет при сборке использовать неизбежные тепловые потери двигателя с пользой для его работы при подготовке топливных компонентов к внутреннему смесеобразованию. Таким образом, при сборке МС1 и МС2 с МР3 завершается формирование: каналов охлаждения 53 в МС1 и МС2 (см. фиг.3) с обратным клапаном 54 в МР3; каналов окислителя 55 в МС1 и МС2 (см. фиг.3) с обратным клапаном 56 в МР3; топливных каналов 58 в МС1 и МС2 (см. фиг.3) с обратным клапаном 59 в МР3, так как для утилизации тепловых потерь такое формирование каналов наиболее рационально. Каналы топливных компонентов могут быть выполнены в МС1, МС2 и в МР3 симметрично и объединяться при сборке в единый канал. В корпусных стенках 61 и 62, в зонах образующих РИВ 27, также установлены воздушные обратные клапаны 31, соединяющие выпускные отверстия 47 (РПК-2) с РИВ 27 через завершенные при сборке МС1 и МС2 с МР3 воздушные каналы 48. Боковые стенки 61 и 62, образующие полузамкнутую внешнюю поверхность корпусной оболочки 20, имеют ребра жесткости 77 и 78 (они же и теплообменники), на которых крепятся устройства ионизации 29, электротехнические устройства (зажигания, регуляторы тока и т.п.), а при необходимости и другие устройства, например, контрольно-измерительные датчики. В ГРМ 26 поворотный регулировочный клапан 79 подачи сжатого воздуха, имеющий профилированное впускное окно 80, и топливный преобразователь 81 образуют механизм управления 82 двигателя (дозированной подачи топлива и воздуха). Провода электрического зажигания 83 и электротермического нагрева 84 в МР3 подсоединены от электрооборудования (на чертеже не показано). В МР3 имеются крепежные установочные отверстия 85, предназначенные для крепления двигателя на шасси транспортной силовой установки.MP3, depicted in figure 4, is formed as a result of synthesis (compilation or connection) of structures of functional submodules (independently not functional assembly units). The necessity and regularity of the hybrid connection of several submodules into a single module is justified by a decrease in energy losses (mainly thermal) and a reduction in the number of used parts and assembly units. MP3 is created from a
На фиг. 5 показан ТМ 25, установленный в монтажно-теплообменные отсеки МР3. В ТМ 25 сформирована камера сгорания с комбинированным расширительным соплом 24 и установлен в камере сгорания ГРМ 26, завершающий ее формирование. ТМ 25 устанавливается как в патрубок 22 с направляющим отверстием 23, так и в разнообразные монтажно-теплообменные отсеки корпусной оболочки 20 МР3, разграничивая магистрали сжатия и расширения. Корпусная оболочка 20 собирается из боковых стенок 61 и 62, которые, в результате сборки, образуют центральную внутреннюю полость под установку ТПР 21, а также разнообразную наружную поверхность, заключенную между боковыми стенками, включая и патрубок 22. В патрубке 22 при сборке корпусной оболочки 20 образуется сквозное направляющее отверстие 23, плавно переходящее из круга (от торца патрубка) в видоизмененный прямоугольник (у внутренней полости), а также (со стороны круглого отверстия) образуются разноглубинные концентрические каналы, выполненные с коническим срезом. Каналы пересекаются сквозными отверстиями в боковых стенках 61 и 62. В эти отверстия устанавливаются обратные клапаны 54, 56 и 59. На корпусной оболочке 86 ТМ 25 выполнены чередующиеся друг за другом конус 87, усеченный конус 88 и усеченный конус, переходящий в крепежный фланец 73, которые при сопряжении с соответствующими концентрическими отверстиями в патрубке 22 образуют герметичные индивидуальные отсеки. В патрубке 22 образуется: герметичный отсек 74 с обратными клапанами 54, которые завершают каналы 53 для охладителя, например, воды; отсек 75 с обратными клапанами 56, которые завершают каналы 55 для дополнительного окислителя, например, перекиси водорода; отсек 76 с обратными клапанами 59, которые завершают каналы 58 для жидкого моторного топлива. ТМ 25 крепится к патрубку 22 через фланец 73 (например, болтами). В центральной внутренней полости корпусной оболочки 20 установлен ТПР 21. Между центральным валом 4 внешней нагрузки (выходным валом отбора мощности) и валами 15 внутренней нагрузки (валы собственных потребностей двигателя) установлены обгонные муфты 68 и подшипники 67 скольжения (между валами 4 и 15, а также между валами 15 и боковыми стенками 61 и 62). Ведущие зубчатые колеса 14 через шлицевые соединения с валами 15 при сборке МС1 и МС2 с МР3 образуют групповой привод механической передачи. В ТПР 21 поршневые лопасти 65 центрального роторного колеса 63 и поршневые лопасти 66 боковых роторных колес 64 скользят по гладкой цилиндрической поверхности 70, в том числе и в районе отверстия 23. Далее в гладкой цилиндрической поверхности 70 выполнены постепенно углубляющиеся каналы 71, которые превращают гладкую цилиндрическую поверхность в ребристо-цилиндрическую поверхность с постепенно увеличивающимся зазором, переходящую в выпускное (выхлопное) отверстие 32 (отверстие 32 на фиг.5 не показано). При сборке корпусной оболочки 20 из корпусных стенок 61 и 62 образуется разнообразная наружная поверхность, заключенная между боковыми стенками 61 и 62. Герметично закрытая крышками 28 корпусная оболочка 20 образует РИВ 27, сообщающийся в замкнутом воздушном пространстве через ГРМ 26 с камерой сгорания ТМ 25, а также ионизатор 29 и не указанные на чертеже (фиг.5) теплообменные капиллярные трубки 30 и другие исполнительные и контрольно-измерительные устройства, обеспечивающие принудительное зажигание (через провода 83) и электротермический нагрев (через провода 84) топливных компонентов. В оболочке 86 ТМ 25 выполнено воздухозаборное окно 89, обеспечивающее поступление сжатого воздуха из РИВ 27 в ГРМ 26 через профилированное окно 80 регулировочного клапана 79. Регулирование подачи сжатого воздуха и топлива осуществляется механизмом управления 82, частично и герметично выведенным за пределы РИВ 27 и корпусной оболочки 20. Механизм управления 82 состоит из регулировочного клапана подачи сжатого воздуха 79 и топливного преобразователя 81 и установлен в корпусной оболочке 86 ТМ 25.In FIG. 5 shows
На фиг.6 показана конструкция ТМ 25, в котором сформирована камера сгорания с комбинированным расширительным соплом 24 и установленным в камере сгорания ГРМ 26, завершающим ее формирование. ТМ 25 представляет гибридный объединенный функциональный модуль, состоящий из подмодулей, которые могут самостоятельно работать только при объединении в корпусной конусно-цилиндрической оболочке 86, являющейся конструктивным связующим элементом конструкции ТМ 25. В оболочке 86 размещается жаропрочный купол испарителя 90, выполненный с двухсторонней ребристо-меридиональной поверхностью и сквозным центральным конусным отверстием, в которое устанавливается усеченной частью жаропрочная конусная оболочка 91 расширительного сопла, а ее основание, прилегая к перфорированному поясу внутренней конической поверхности оболочки 86, создает комбинированное расширительное сопло 24. За куполом 90 в оболочку 86 запрессовывается жаропрочная теплообменная оболочка 92 камеры сгорания, выполненная с ребристыми наружными кольцевыми проточками, образующими герметичные отсеки 93 (для воды), 94 (для перекиси водорода) и 95 (для топлива). Отсек 93 системы охлаждения через жиклеры 96 и межреберные каналы 97, выполненные в оболочке 86, соединяется с обратными клапанами 54 в отсеке 74. Отсек 74 образуется в круглом канале патрубка 22 оболочкой 86 и ее конусом 87. Через жиклеры 98 и межреберные каналы 99 сферического купола 90 отсек 93 соединяется с замкнутой перфорированной полостью, образуя парогенератор 100 в комбинированном расширительном сопле 24, выполненный в виде газотрубного котла, а затем в направляющем отверстии 23 и далее через ТПР 21 до выхлопного отверстия 32 (отверстие 32 на фиг.6 не показано), завершая открытую систему охлаждения двигателя, продолженную в его магистрали расширения. Отсек 94 через периферийно расположенные в оболочке 86 жиклеры 101 соединяется с обратными клапанами 56 в отсеке 75, который образуется в канале патрубка 22 оболочкой 86 и ее конусами 87 и 88. Через жиклеры (трубки) 102, проходящие изолированно через отсек 93, отсек 94 сообщается с внутренними межреберными каналами купола испарителя 90 (по его внутренней поверхности), а через жиклеры (трубки) 103, проходящие изолированно через отсек 95, сообщается с конической поверхностью плавающего поршня 104 ГРМ 26 и завершает систему подачи дополнительного окислителя в камеру сгорания ТМ 25. Плавающий поршень 104 является основным связующим элементом конструкции ГРМ 26 и представляет собой основной элемент обратного клапана, который автоматически обеспечивает одностороннюю подачу нескольких топливных компонентов в камеру сгорания ТМ 25 под действием оказываемых на него давлений, как со стороны магистрали расширения (стороны камеры сгорания), так и со стороны магистрали сжатия (стороны РИВ 27). С поршневыми кольцами 105 он герметично устанавливается в жаропрочной теплообменной оболочке 92 и, завершая формирование камеры сгорания с расширительным соплом 24, через тарельчатые или диафрагменные пружины 106, компенсирующие его подвижность, фиксируется в корпусной оболочке 86 гайкой 107. В центральном глухом отверстии 108 плавающего поршня 104 установлен топливный преобразователь 81, а в глухих периферийных отверстиях 109 установлены воздушные обратные клапаны 110 с регулировочной гайкой 111. Глухие отверстия 108 и 109 соединены с камерой сгорания ТМ 25 топливными жиклерами (калиброванными отверстиями) 112 и воздушными жиклерами 113, и их направление в камере сгорания ТМ 25 обеспечивает оптимальное смесеобразование топливных компонентов. Свечи зажигания 114 ввернуты в глухие отверстия, которые расположены по окружности между глухим топливным 108 и глухими воздушными 109 отверстиями. Своими электродами они располагаются в камере сгорания ТМ 25 в зоне оптимального смесеобразования. Высокое напряжение на свечи 114 зажигания подается по проводам 83 (устройство зажигания на чертеже не показано). Механизм управления 82 двигателя (подачи топлива и воздуха) герметично выведен через крышку 28 из МР3. Он состоит из топливного преобразователя 81 и регулировочного клапана подачи сжатого воздуха 79, который устанавливается в конце оболочки 86 и имеет профилированное воздушное впускное окно 80. Кинематическая связь механизма управления 82 преобразует вращательное движение клапана 79 в поступательное движение топливного преобразователя 81 (например, винтовая пара). Топливный преобразователь 81 после регулировки жестко соединяется с воздушным регулировочным клапаном 79 в конце оболочки 86. Регулировка топливного преобразователя 81 и воздушного регулировочного клапана 79 сводится к синхронному перекрытию доступа воздуха и топлива в камеру сгорания ТМ 25 при сборке и установке ГРМ 26. Воздушное окно 89 в оболочке 86 закрыто корпусом клапана 79, а его профилированное впускное окно 80 закрыто корпусной оболочкой 86, а топливные жиклеры 112 перекрыты топливным преобразователем 81, при этом может допускаться незначительное опережающее поступление воздуха из РИВ 27 в камеру сгорания ТМ 25. Поршневые кольца 115 обеспечивают необходимую герметичность топливного преобразователя 81 в центральном отверстии 108 плавающего поршня 104. На топливном преобразователе 81, выполненном в виде пустотелого цилиндрического стержня с конусной вершиной, имеется кольцевая проточка 116, которая соединяется через радиальные отверстия 117 с центральным отверстием 118, а на конусе с жиклером 119. В отверстии 118 изолированно установлен электрический нагревательный элемент 120, один его вывод соединен с массой, а другой вывод электрически изолирован и соединен с регулируемым источником питания проводами 84 (источник питания на чертеже не показан). В топливной системе двигателя отсек 95 в секционном теплообменнике 92 через периферийно расположенные отверстия 121 в оболочке 86 соединяется с обратным клапаном 59 в отсеке 76. Отсек 76 образуется в круглом канале патрубка 22 оболочкой 86 с ее усеченным конусом 88 и фланцем 73. Через выполненные в секционном теплообменнике 92 наружные осевые каналы 122 и радиальные отверстия 123 соединяется с кольцевой проточкой 124 плавающего поршня 104, а затем через поршневые радиальные отверстия 125 соединяется с кольцевой проточкой 116 топливного преобразователя 81 и завершает топливную систему двигателя. В корпусной оболочке 86 за плавающим поршнем 104 ГРМ 26 около обратных клапанов 110 установлены воздушные термоэлектрические нагреватели 126, соединенные параллельно с топливным нагревательным элементом 120 проводом 84 от системы электропитания, а также установлен воздушный предохранительный клапан 127 для защиты РИВ 27 от избыточного давления сжатого воздуха.Figure 6 shows the design of
На фиг.7 показаны энергосберегающие варианты унификации ТДВСМ, допускающие как частичное, так и полное отключение отдельных агрегатов двигателя и (или) двигателей. Для большей наглядности изложение представлено через модульное построение конструкции двигателя в составе функциональных модулей, поэтому при рассмотрении различных унифицированных энергосберегающих вариантов ТДВСМ, решаемых 5 задачей изобретения, приводятся ссылки на позиционные обозначения ранее изложенного на фиг.1, ... фиг.6 описания конструкции. Двигатель может быть создан при последовательном (показано) или параллельном (соединение через групповой привод механической передачи не показано) объединении группы ТДВСМ, при этом выходные валы отбора мощности 4 через соединительные муфты 130 прочно и постоянно соединены. В других вариантах могут применяться муфты приводов машин и механизмов, которые передают вращательное движение и вращательный момент с одного вала на другой (муфта 131) и с вала на свободно сидящее на нем зубчатое колесо (муфта 132), что может быть реализовано в одном и (или) группе ТДВСМ с соответствующим приводом управления работой двигателя. Передача крутящего момента может осуществляться с механической связью между деталями, за счет сил трения или магнитного притяжения, сил инерции или индукционного взаимодействия электромагнитных полей. По характеру работы в ТДВСМ могут применяться различные муфты приводов: постоянные соединительные (муфта 130); управляемые (муфта 131); самоуправляемые (муфта 132) или автоматически включаемые и выключаемые в зависимости от режима работы; муфты скольжения. Совместная работа двух и более ТДВСМ обеспечивается управляемой муфтой 131 через ее привод 133. Также ТДВСМ могут использоваться совместно с разными гидродинамическими передачами (муфты скольжения: гидромуфты или гидротрансформаторы) для осуществления автоматического бесступенчатого регулирования передачи крутящего момента или частоты вращения вала отбора мощности 4 (вала внешней нагрузки) с менее напряженным температурным воздействием на тяговые многопоршневые роторные колеса 63 ТПР 21. Крутящий момент ТДВСМ может передаваться трансмиссии транспортного средства через маховик 134. В ТДВСМ при отключении соответствующего группового привода механической передачи через муфту 132 можно обеспечить совместную работу МР3, МС1 и (или) МС2. Для этого управляемая муфта 132 устанавливается между валом собственных потребностей двигателя 15 (валом внутренней нагрузки) и его ведущим зубчатым колесом 14 (на чертеже не показаны), что позволяет осуществлять полное отключение МС1 или МС2 (наиболее рационально, когда МС1 и МС2 отличаются разной производительностью). При этом в МР3 каждые ТМ 25 соединены с МС1 и (или) МС2, то есть продублированы магистралями сжатия как от МС1, так и от МС2, что не только повышает надежность и работоспособность ТДВСМ, но и позволяет экономно и обоснованно использовать мощность ТДВСМ, комбинируя включение или отключение ГРМ 26 отдельных ТМ 25 в сочетании с МС1 и (или) МС2. Так в принципе частично реализуется решение поставленной 5 задачи изобретения.7 shows energy-saving options for the unification of TDVSM, allowing both partial and complete shutdown of individual engine units and (or) engines. For greater clarity, the presentation is presented through the modular construction of the engine structure as part of functional modules, therefore, when considering various unified energy-saving variants of the TDVSM, solved by the 5th objective of the invention, references are made to the reference designations of the construction description previously set forth in Fig. 1, ... Fig. 6. The engine can be created in series (shown) or parallel (connection via a group drive of a mechanical transmission is not shown) combining the TDVSM group, while the
На фиг.8 показана принципиальная схема ТДВСМ, изображающая совокупность элементов и цепей связи, выполняющих в двигателе основные или вспомогательные функции, а также разъясняющая основные идеи, принципы и последовательность процессов, происходящих при его работе. При описании позиционные обозначения элементов схемы принципиальной дополнены позиционными обозначениями элементов конструкции (отсутствуют на фиг.8, но ранее показаны на фиг.1, ... фиг.6), что (по соображениям наглядности оформления) сделано для лучшего смыслового восприятия устройства ТДВСМ. Также схема ТДВСМ для наглядности оформления предложена с одной камерой сгорания, тогда как конструкция предлагаемого ТДВСМ представлена на фиг.2 и фиг.4 с двумя камерами сгорания. Это не противоречит основной идее, принципам и последовательности процессов, происходящих в двигателе, который может быть выполнен, как с большим числом камер сгорания, так и с другим сочетанием применяемых в двигателе функциональных модулей. В частном случае принципиальная схема (на фиг.8) согласована с модульным описанием конструкции ТДВСМ (см. фиг.1,..., фиг.6) и условно разделена на центральные и боковые фрагменты согласно термодинамическим процессам рабочего цикла двигателя. Боковые фрагменты схемы представлены МС1 и МС2 и поясняют последовательность осуществления термодинамических процессов сжатия (впуск и сжатие) нескольких рабочих тел. Центральный фрагмент схемы представлен МР3 с ТМ 25 и разъясняет последовательность термодинамических процессов подвода теплоты и расширения рабочих тел в ТДВСМ. В конструкции ТДВСМ независимо от общего или частного случая реализации принципиальной схемы функциональные системы двигателя построены из совокупности ряда элементов, включая МС1, МС2 и МР3 с ТМ 25, объединены по схеме в цепи связи, которые представляют собой тракты магистралей сжатия и расширения. На схеме индивидуальные цепи связи совокупностью элементов конструкции показывают принцип осуществления термодинамических процессов (сжатия, внутреннего и внешнего подвода теплоты и расширения рабочих тел) в бинарном цикле работы ТДВСМ. Индивидуальные цепи связи и (или) совокупность индивидуальных цепей связи по схеме образуют взаимосвязанные между собой функциональные системы двигателя: систему пуска, систему впуска, систему питания, систему расширения и выпуска, систему автоматического регулирования. Подобные функциональные системы применяются в любых ТД, однако, в предлагаемой конструкции ТДВСМ, в том числе и модульной конструкции, они существенно видоизменены, конструктивно локализованы и работают в составе двигателя, дополняя друг друга и взаимодействуя между собой.On Fig shows a schematic diagram of TDVSM, depicting a set of communication elements and circuits that perform basic or auxiliary functions in the engine, as well as explaining the basic ideas, principles and sequence of processes that occur during its operation. In the description, the positional designation of circuit elements is supplemented by the positional designation of structural elements (not shown in Fig. 8, but previously shown in Fig. 1, ... Fig. 6), which (for reasons of clarity of design) is made for a better semantic perception of the TDSSM device. Also, the TDVSM scheme for clarity of design is proposed with one combustion chamber, while the design of the proposed TDVSM is presented in figure 2 and figure 4 with two combustion chambers. This does not contradict the basic idea, principles and sequence of processes occurring in the engine, which can be performed both with a large number of combustion chambers and with another combination of functional modules used in the engine. In the particular case, the schematic diagram (in Fig. 8) is consistent with the modular design description of the TDVSM (see Fig. 1, ..., Fig. 6) and is conditionally divided into central and side fragments according to the thermodynamic processes of the engine operating cycle. Lateral fragments of the circuit are presented by MC1 and MC2 and explain the sequence of thermodynamic compression processes (inlet and compression) of several working bodies. The central fragment of the diagram is represented by MP3 with
Система пуска ТДВСМ предназначена для запуска двигателя и воплощает известные способы запуска ТД: от руки, стартером, сжатым воздухом, накатом движителя под уклон или на буксире. Система пуска от стартеров 12 и (или) валов 4 внешней и 15 внутренней нагрузки с обгонными муфтами 68, через зубчатые колеса 14 группового привода механической передачи обеспечивает работу всех функциональных модулей, реализующих в МС1 и МС2 термодинамические процессы сжатия. Система пуска совершенствует и упрощает запуск ТДВСМ подмодулями ТПР 21, ТМ 25, ГРМ 26 и РИВ 27, реализуя в МР3 термодинамические процессы подвода теплоты и расширения в механическую работу, распределяемую в первую очередь на собственные потребности ТДВСМ, а затем на преодоление дорожного сопротивления. Реализация рабочего цикла ТДВСМ с одновременной последовательностью осуществления термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения возможна благодаря ТПР 21 и позволяет осуществить запуск ТД через групповой привод механической передачи без подготовки или с предварительной подготовкой компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию. Запуск ТДВСМ без подготовки (неустойчивый запуск, характерный для ДВС и ГТД) обеспечивает внутреннее смесеобразование ГРМ 26 в камере сгорания ТМ 25 при включенном механизме 82 управления. ТДВСМ постепенно прогревается, создавая запасы и предварительно подготавливая компоненты топливной смеси к внутреннему смесеобразованию, переходит с ручного режима работы на автоматический или полуавтоматический режим работы. Запуск ТДВСМ с предварительной подготовкой компонентов топливной смеси осуществляется при отключенном механизме 82 управления ГРМ 26. Причем в ТМ 25 предварительно запасают и подготавливают компоненты топливной смеси к внутреннему смесеобразованию ГРМ 26. Затем включают механизм 82 управления и ГРМ 26 осуществляют внутреннее смесеобразование в камере сгорания ТМ 25, обеспечивая в любых условиях всегда надежный запуск и устойчивую работу ТДВСМ практически без прогрева двигателя.The TDVSM launch system is designed to start the engine and embodies the well-known methods of starting the TD: by hand, with a starter, compressed air, rolling the propulsion device downhill or in tow. The starting system from the
Многоканальная система впуска ТДВСМ обеспечивает из баков раздельную подачу и создает МС1 и (или) МС2 в теплообменных отсеках МР3 индивидуальные запасы всех компонентов топливной смеси. Многоканальная система впуска работает через групповой привод механической передачи, обеспечивая в ходе осуществления термодинамического процесса сжатия предварительную подготовку всех компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию в ТМ 25. Система впуска ТДВСМ совокупностью индивидуальных цепей связи схемы принципиальной образует: систему впуска воздуха (связи воздушного тракта); незамкнутую (открытую) систему охлаждения (связи тракта охлаждения); систему основного и дополнительного окисления (связи тракта подачи окислителя); систему смазки (связи тракта подачи масла); систему топливоподачи (связи тракта подачи моторного топлива). В магистралях сжатия системы впуска не указаны баки топливных компонентов, их подводящие трубопроводы и фильтры грубой и (или) тонкой очистки, так как они не имеют принципиальной новизны и их реализация по схеме принципиальной не вызывает технических сложностей, но затрудняет восприятие и наглядность графического изображения изобретения.The multi-channel TDVSM intake system provides separate supply from the tanks and creates the MC1 and (or) MC2 in the heat-exchange compartments of MP3 individual reserves of all components of the fuel mixture. The multi-channel intake system works through a group drive of a mechanical transmission, providing during the thermodynamic compression process the preliminary preparation of all components of the fuel mixture for internal mixture formation in the
Цепи связи воздушного тракта, показывая на схеме совокупность индивидуальных магистралей сжатия воздуха, образуют систему впуска воздуха, которая сжимает и подготавливает воздух к внутреннему смесеобразованию в ТМ 25. Для подачи воздуха в МС1 и МС2 последовательно соединены: фильтр 16 очистки воздуха, (РПК-1) 6, воздушный канал 45, (РПК-2) 7, воздушный канал 48, обратный клапан 31. Затем в МР3 РИВ 27 и воздухозаборное окно 89 корпусной оболочки 86 ТМ 25 соединяется через профилированное окно 80 регулировочного клапана 79 с ГРМ 26, где установлены обратные клапаны 110 и термоэлектрический нагреватель 126. Валы 33 РПК, имея кинематическое соединение через зубчатое колесо 14 с групповым приводом механической передачи, обеспечивают работу (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, которые ступенчато сжимают воздух и под давлением подают его по магистралям сжатия воздуха. Сжатый воздух запасают в РИВ 27, утилизируя тепловые потери двигателя, при этом в РИВ 27 сжатый воздух постепенно подготавливают ионизирующим устройством 29 и теплообменниками 30, 77, 78 к внутреннему смесеобразованию, а в ГРМ 26 термоэлектрическим нагревателем 126 завершают подготовку сжатого озонированного воздуха к внутреннему смесеобразованию.The air path communication chains, showing in the diagram a set of individual air compression lines, form an air intake system that compresses and prepares the air for internal mixture formation in
Цепи связи тракта охлаждения, показывая на схеме совокупность индивидуальных магистралей сжатия (подачи) воды, образуют незамкнутую (открытую) систему охлаждения, в которой охлаждающая вода преобразуется в пар, используемый для получения механической работы в бинарном рабочем цикле ТДВСМ. Для подачи воды в МС1 и МС2 последовательно соединены: РНВ 9, канал охлаждения 50, первый контур охлаждения (РПК-1) 6, канал охлаждения 51, первый и второй контур охлаждения (РПК-2) 7, канал охлаждения 52, второй контур охлаждения (РПК-1) 6, канал охлаждения 53 и обратный клапан 54. Затем в МР3 отсек 74 через межреберные каналы 97 и жиклеры 96 корпусной оболочки 86 ТМ 25 соединяется с отсеком 93 жаропрочной теплообменной оболочки 92 камеры сгорания ТМ 25. Далее через жиклеры 98 теплообменной оболочки 92 и межреберные каналы 99 сферического купола 90 соединяется с перфорированной полостью парогенератора 100 комбинированного расширительного сопла 24, установленного в направляющее отверстие 23 магистрали расширения, которая заканчивается выпускным отверстием 32. Валы 35 РНВ 9, имея кинематическое соединение через зубчатые колеса 41, 42 и 14 с групповым приводом механической передачи, обеспечивают работу РНВ 9, которые под давлением подают воду по магистралям сжатия открытой системы охлаждения. Подаваемая вода в РПК охлаждает сжимаемый воздух, увеличивая его массовый заряд в РИВ 27, затем постепенно нагревается, утилизируя тепловые потери двигателя и ТМ 25, а в парогенераторе 100 комбинированного расширительного сопла 24 превращается в перегретый пар. В направляющем отверстии 23 магистрали расширения пар перемешивается с газами, расширяющимися из камеры сгорания и комбинированного расширительного сопла 24, и парогазовым потоком, направленным в ТПР 21, превращается в механическую работу. Отработанный парогазовый поток удаляется в атмосферу окружающей среды через выпускное отверстие 32. Таким образом, вода, охлаждающая двигатель, переходит в пар, используется в качестве бинарного рабочего тела, превращаясь в механическую работу.The cooling circuit communication chains, showing in the diagram a set of individual water compression (supply) lines, form an open (open) cooling system in which cooling water is converted to steam, which is used to obtain mechanical work in the TDSSM binary operating cycle. To supply water to MC1 and MC2, the following are connected in series:
Цепи связи траста подачи окислителя, показывая на схеме индивидуальные магистрали сжатия (подачи) окислителя, образуют систему основного и дополнительного окисления. Для подачи окислителя в МС1 и МС2 последовательно соединены: РНО 8, канал окислителя 55, обратный клапан 56. Затем в МР3 отсек 75 через жиклеры 101 корпусной оболочки 86 ТМ 25 соединяется с отсеком 94 жаропрочной теплообменной оболочки 92 камеры сгорания. В основной системе окисления жиклеры 102 теплообменной оболочки 92 постоянно соединены с камерой сгорания ТМ 25, выходя на внутреннюю поверхность межреберных каналов сферического купола 90. В дополнительной системе окисления жиклеры 103 перекрыты плавающим поршнем 104, но соединяются с камерой сгорания ТМ 25 при перемещениях плавающего поршня 104. Валы 34 РНО 8, имея кинематическое соединение через зубчатые колеса 41, 42 и 14 с групповым приводом механической передачи, обеспечивают работу РНО 8, которые под давлением подают окислитель (перекись водорода) по магистралям сжатия системы окисления. Подаваемый окислитель постепенно нагревается, утилизируя тепловые потери двигателя и ТМ 25, а в камере сгорания пересекает фронт распространения пламени, способствуя полному сгоранию топливной смеси (система окисления дополняет систему впуска воздуха).The oxidizer supply trust communication chains, showing individual oxidizer compression (supply) lines on the diagram, form the primary and secondary oxidation system. To supply the oxidizing agent to MC1 and MC2, the following are connected in series:
Цепи связи тракта подачи масла, показывая на схеме индивидуальные магистрали сжатия (подачи) масла, образуют закрытую (замкнутую) систему смазки двигателя, которая обеспечивает смазку трущихся деталей моторным маслом. В системе смазки в МС1 и МС2 разветвленные масляные каналы 57 соединяют РНМ 10 с (РПК-1) 6, (РПК-2) 7, каждым групповым приводом механической передачи и подшипниками 67. Валы 36 РНМ 10, имея кинематическое соединение через зубчатые колеса 41, 42 и 14 с групповым приводом механической передачи, обеспечивают работу РНМ 10, которые под давлением подают моторное масло по магистралям сжатия системы смазки. Масляная система ТДВСМ локализована и работает в менее напряженных тепловых режимах по сравнению с аналогичными системами других ДВС.The communication circuits of the oil supply path, showing individual oil compression (supply) lines in the diagram, form a closed (closed) engine lubrication system that provides lubrication of rubbing parts with engine oil. In the lubrication system in MS1 and MS2, branched oil channels 57 connect the
Цепи связи топливного тракта, показывая на схеме индивидуальные магистрали сжатия (подачи) моторного топлива, образуют систему топливоподачи, которая подает и подготавливает любое моторное топливо к внутреннему смесеобразованию в ТМ 25. Для подачи топлива в МС1 и МС2 последовательно соединены: РНТ 11, топливный канал 58 и обратный клапан 59. Далее в МР3 отсек 76 через периферийно расположенные отверстия 121 корпусной оболочки 86 ТМ 25 соединяется с отсеком 95 жаропрочной теплообменной оболочки 92 камеры сгорания. Затем наружные осевые каналы 122 и радиальные отверстия 123 жаропрочной теплообменной оболочки 92 через кольцевую проточку 124 и радиальные отверстия 125 плавающего поршня 104 соединяются с топливным преобразователем 81. В топливном преобразователе 81 кольцевая проточка 116 соединена через радиальные отверстия 117 с центральным отверстием 118, в котором помещен электрический нагревательный элемент. Отверстие 118 через жиклеры 119 соединено с центральным глухим (закрытым) отверстием 108 плавающего поршня 104 и через топливные жиклеры 112 плавающего поршня 104 имеет связь с камерой сгорания ТМ 25 (только при работе механизма управления 82). Валы 37 РНТ 11, имея кинематическое соединение через зубчатые колеса 41, 42 и 14 с групповым приводом механической передачи, обеспечивают работу РНТ 11, которые под давлением подают моторное топливо по индивидуальным магистралям топливоподачи.The fuel path communication chains, showing individual motor fuel compression (supply) lines in the diagram, form a fuel supply system that feeds and prepares any motor fuel for internal mixture formation in
Цепи связи совокупностью всех трактов компонентов топливной смеси многоканальной системы впуска, показанных на схеме, образуют в ТМ 25 индивидуальную систему питания. В ТДВСМ система питания локализована вокруг камеры сгорания ТМ 25, взаимосвязана жаропрочной теплообменной оболочкой 92 камеры сгорания и ГРМ 26 со всеми системами впуска компонентов топливной смеси через магистрали сжатия воздуха, топлива, окислителя и охладителя. Система питания в ТМ 25 завершает подготовку компонентов топливной смеси, обеспечивает ГРМ 26 самоустанавливающееся внутреннее смесеобразование, формируя механизмом 82 управления топливный заряд, необходимый для выполнения механической работы. Система питания реализована в ТМ 25 (см. описание фиг.6), состоит из ГРМ 26 и его механизма 82 управления, теплообменной оболочки 92 и жаропрочного купола 90, формирующих камеру сгорания с теплообменными отсеками 93, 94 и 95 для предварительной подготовки топливной смеси к внутреннему смесеобразованию. Тепловыделение (внутренний подвод теплоты), подготовленное системой питания в камере сгорания с комбинированным расширительным соплом 24, теплообменными процессами обеспечивает внешний подвод теплоты в парогенераторе 100, превращая в отсеке 93 и далее по магистрали охлаждения нагретую воду в перегретый пар. В магистрали окисления через отсек 94 и далее обеспечивается подготовка перекиси водорода для основного и (или) дополнительного внутреннего смесеобразования в камере сгорания. Система питания подает перекись водорода, которая пересекает фронт пламени в камере сгорания ТМ 25 соответственно у жаропрочного купола 90 испарителя и плавающего поршня 104. Подачей топлива по топливной магистрали через отсек 95 и далее обеспечивается подготовка топлива, завершаемая электрическим нагревательным элементом 120 в центральном отверстии 118 и топливном жиклере 119 топливного преобразователя 81, который герметично установлен в центральном отверстии 108 плавающего поршня 104. ГРМ 26 состоит из регулировочного клапана 79 подачи сжатого воздуха и топливного преобразователя 81, объединенных винтовой парой с механизмом 82 управления работой двигателя, а также связующего плавающего поршня 104, выполненного с воздушными 113 и топливными жиклерами 112, геометрические оси которых пересекают электроды свечей 114 зажигания. Жиклеры 112 и 113 плавающего поршня 104, обеспечивая вихревую топку в камере сгорания, соединяют центральное 108 (топливное) и периферийные 109 (воздушные) отверстия с камерой сгорания, оберегая, соответственно, топливный преобразователь 81 и обратные клапаны 110 от высоких температур камеры сгорания. В регулировочном клапане 79 (у обратных клапанов 110 плавающего поршня 104) установлен термоэлектрический нагреватель 126 воздуха, соединенный проводом 84 с системой электропитания двигателя, а провода зажигания 83 подсоединены к свечам 114 зажигания. При запуске и работе ТДВСМ механизмом 82 управления частично или полностью совмещают в ТМ 25 впускное окно 89 корпусной оболочки 86 с профилированным впускным окном 80 регулировочного клапана 79, обеспечивая из РИВ 27 дозированную подачу сжатого воздуха через обратные клапаны 110 и воздушные жиклеры 113. При этом топливный преобразователь 81 смещается в центральном отверстии 108 плавающего поршня 104, обеспечивая дозированную подачу газообразного топлива через открытое центральное отверстие 108 и топливные жиклеры 112. Так система питания по магистралям сжатия воздуха и топлива автоматически обеспечивает гомогенное внутреннее смесеобразование в камере сгорания. В дальнейшем плавающий поршень 104, осуществляя внутреннее смесеобразование, обеспечивает дозированную подачу воздуха, топлива и перекиси водорода в камеру сгорания ТМ 25. В зависимости от внешней нагрузки и положения механизма 82 управления в камере сгорания ТМ 25 обеспечивается самонастраивающееся тепловыделение: по циклу Отто при постоянном объеме (пульсирующее), по циклу Дизеля при постоянном давлении (непрерывное) или по циклу Тринклера (совмещенное), поддерживая автоматический, полуавтоматический или ручной режим работы ТДВСМ.Communication circuits by the combination of all the paths of the components of the fuel mixture of the multichannel intake system shown in the diagram form an individual power supply system in
Цепи связи тракта расширения, показывая на схеме индивидуальную магистраль расширения, образуют систему расширения и выпуска. Конструкция системы расширения и выпуска рабочих тел формируется в корпусной оболочке 20 (см. также описание МР3 по фиг.4) двумя боковыми стенками 61 и 62, которые выполнены с разнообразной развитой геометрической поверхностью и образуют закрытые магистральные каналы и отсеки. ТМ 25, установленный в направляющее отверстие 23 патрубка 22 корпусной оболочки 20, разделяет закрытые магистральные каналы на индивидуальные магистрали сжатия и расширения. Индивидуальные магистрали расширения начинаются в ТМ 25 с камеры сгорания и комбинированного расширительного сопла 24, совмещенного с парогенератором 100, продолжаются в постепенно расширяющемся направляющем отверстии 23, которое тангенциально соединено с внутренней цилиндрической полостью центрального монтажно-теплообменного отсека корпусной оболочки 20. В центральном монтажно-теплообменном отсеке установлен ТПР 21, который поршневыми лопастями 65 и 66 роторных колес 63 и 64 пересекает магистраль расширения. Поршневые лопасти 65 и 66, плотно и герметично скользя по внутренней гладкой цилиндрической поверхности 70 в магистрали расширения монтажно-теплообменного отсека в зоне тангенциального сопряжения с направляющим отверстием 23 магистрали расширения, под воздействием парогазового потока реализуют большое давление рабочих тел в малых герметичных объемах индивидуальной магистрали расширения. После этого гладкая внутренняя цилиндрическая поверхность монтажно-теплообменного отсека в магистрали расширения постепенно углубляется и расширяется внутренними каналами, плавно переходит в ребристо-цилиндрическую поверхность 71 и завершается выпускным отверстием 32, выходящим в атмосферу окружающей среды. На этом этапе поршневые лопасти 65 и 66 продолжают скольжение по цилиндрической поверхности, тогда как расширяющийся парогазовый поток истекает по углубляющимся каналам ребристо-цилиндрической поверхности 71 в атмосферу окружающей среды, реализуя малое давление рабочих тел в больших негерметичных объемах индивидуальной магистрали расширения. Конструкция индивидуальной магистрали расширения позволяет совместить внутренний и внешний подвод теплоты в ТМ 25, газовый и паротурбинный термодинамический цикл расширения и локализованно и целенаправленно реализовать термодинамический процесс расширения бинарных рабочих тел в механическую работу. В выпускные отверстия 32 магистрали расширения установлены теплообменники 30, утилизирующие тепловые потери выхлопных газов в РИВ 27 для повышения термического к.п.д. и снижения уровня шумов ТДВСМ, а также дренажные трубки 17, предназначенные для эжекторного удаления (отсоса) пыли из фильтра очистки воздуха 16.The communication circuits of the expansion path, showing on the diagram an individual expansion highway, form an expansion and release system. The design of the system for expanding and discharging working fluids is formed in the housing shell 20 (see also the description of MP3 in FIG. 4) by two
Система автоматического регулирования ТДВСМ осуществляет положительное самовыравнивание двигателя и обеспечивает устойчивую работу во всем диапазоне внешних скоростных характеристик двигателя, самоприспосабливающегося к изменению внешней нагрузки с самоустанавливающимся перераспределением установленного уровня внутреннего смесеобразования при самонастраивающемся цикле подвода теплоты в ТМ 25. Работа системы автоматического регулирования обеспечивается конструкцией ТДВСМ через ТПР 21 и групповой привод механической передачи. Через валы 15 внутренней нагрузки и вал 4 внешней нагрузки ТПР 21 разделяет силовые энергетические потоки на собственные потребности ТДВСМ и дорожное сопротивление. При этом через групповой привод механической передачи ТДВСМ в автоматическом режиме корректирует работу (производительность) компрессоров и насосов в МС1 и МС2, увеличивая внутреннее смесеобразование в ТМ 25, восстанавливает нарушенный тепловой и механический баланс ТД. Таким образом, не имея специальной конструкции системы автоматического регулирования (например, вакуумный или центробежный регулятор), ТДВСМ способен устойчиво работать при различных режимах работы, одновременно реализуя последовательность осуществления термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения. Для этого при работе в режиме «холостого хода» достаточно механизмом 82 управления сформировать топливный заряд, обеспечивающий только собственные потребности ТДВСМ. При любом определенно включенном положении механизма 82 управления в камере сгорания формируется топливный заряд на общую суммарную мощность внутренней и внешней нагрузки ТДВСМ, которая преодолевается при синхронном вращении тягового 63 и компрессорных 64 роторных колес. Нарушение теплового и механического баланса обнаруживается ТПР 21, который перераспределяет силовые энергетические потоки при асинхронном вращении тягового 63 и компрессорных 64 роторных колес. Максимальное увеличение вращения компрессорных 64 роторных колес через групповой привод механической передачи увеличивает формирование топливного заряда в камере сгорания. При этом тяговое 63 роторное колесо может полностью остановиться, однако ТДВСМ не заглохнет, работая «сам на себя» в режиме «измененного холостого хода» при неспособности преодолеть препятствие внешней нагрузки. В этом случае следует в ручном или полуавтоматическом режиме работы механизмом 82 управления увеличить формирование топливного заряда, повысив мощность ТДВСМ для преодоления внешней нагрузки. Следует отметить, что полуавтоматический режим работы сочетает автоматический режим работы ТДВСМ и ручную корректировку механизмом 82 управления, а ручной режим работы предусматривает подключение или отключение отдельных силовых устройств ТДВСМ.The automatic control system TDVSM carries out positive self-alignment of the engine and ensures stable operation in the entire range of external speed characteristics of the engine, self-adjusting to changes in external load with a self-adjusting redistribution of the set level of internal mixture formation during the self-adjusting heat supply cycle in
Работа ТДВСМ, так же как и работа любого ТД, реализуется этапом запуска двигателя, переходящим в его работу с переходными неустановившимися и установившимися процессами рабочего цикла двигателя, и завершается после выполнения работы его полной остановкой.The operation of the TDVSM, as well as the operation of any TD, is implemented by the engine start-up phase, which goes into its operation with transient unsteady and steady-state processes of the engine’s duty cycle, and is completed after the work has been completely stopped.
Запуск ТДВСМ может производиться всеми известными для ДВС способами: ручным, стартером 12, накатом при перемещении движителя на буксире или под уклон, а также сжатым воздухом. В ТДВСМ кинематическим соединением валов компрессоров (РПК-1) 6, (РПК-2) 7, насосов РНО 8, РНВ 9, РНМ 10, РНТ 11, стартеров 12 и генераторов 13 с ведущими зубчатыми колесами 14 вала 15 внутренней нагрузки образуется групповой привод механической передачи в каждом МС1 и МС2. В ТДВСМ через групповой привод механической передачи обеспечиваются собственные потребности МС1 и МС2 для осуществления термодинамических процессов сжатия. Запуск от стартера(ов) 12 осуществляется с асинхронным вращением в ТПР 21 многопоршневых роторных колес 63 и 64 при выключенных обгонных муфтах 68, т.е. без кинематического соединения валов 4 и 15 отбора мощности. При других способах запуска собственные потребности МС1 и МС2 для осуществления термодинамических процессов сжатия обеспечиваются при синхронном вращении роторных колес 63 и 64 ТПР 21 с кинематическим соединением валов 4 и 15 отбора мощности при включенных обгонных муфтах 68. Запуск и последующая работа ТДВСМ связаны с различными энергетическими преобразованиями электрической, кинетической и потенциальной энергии в механическую работу, которая в рабочем цикле двигателя частично затрачивается через групповые приводы механических передач на функционирование МС1 и (или) МС2, обеспечивая прежде всего собственные потребности двигателя в процессе впуска и сжатия компонентов топливной смеси с раздельной их подачей по магистралям сжатия, а затем с предварительной, в МР3, и окончательной подготовкой всех топливных компонентов к внутреннему смесеобразованию в ТМ 25 и сгоранию топлива в камере сгорания с комбинированным расширительным соплом 24. Запуск стартерами 12 обеспечивается электрической энергией аккумуляторов. При запуске стартером(ами) 12 в МС1 и (или) МС2 через групповой привод механической передачи работают группы компрессоров двухступенчатого сжатия (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, роторные насосы РНО 8, РНВ 9, РНМ 10, РНТ 11 и генераторы 13, которые подают ранее профильтрованные компоненты топливной смеси по индивидуальным магистралям сжатия в секционный теплообменник 92 камеры сгорания ТМ 25, ГРМ 26, РИВ 27 и сжимают их в монтажно-теплообменных отсеках МР3 и ТМ 25 ТДВСМ. Запуск накатом реализуется кинетической энергией движителя через вал 4 отбора мощности. Для запуска сжатым воздухом используется электрическая энергия аккумулятора, преобразованная через групповой привод механической передачи в потенциальную энергию (энергию деформации) сжатого воздуха, запасы которого создаются в РИВ 27. При запуске накатом или сжатым воздухом ускоренно вращающийся вал 4 отбора мощности включает обгонные муфты 68, синхронизируя вращение валов отбора мощности 4 внешней и 15 внутренних нагрузок. При этом запуск ТДВСМ осуществляется через групповой привод механической передачи, но не от стартера(ов) 12, а через вал(ы) 15 отбора мощности внутренних нагрузок, в МС1 и (или) МС2 все также работают группы компрессоров двухступенчатого сжатия (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, роторные насосы РНО 8, РНВ 9, РНМ 10, РНТ 11 и генераторы 13, обеспечивая поступление компонентов топливной смеси для внутреннего смесеобразования в камере сгорания ТМ 25.The launch of the TDVSM can be carried out by all methods known to the internal combustion engine: manual,
В ТДВСМ система пуска и системы впуска продублированы МС1 и МС2. Дублированием комбинируются разнообразные, в том числе экономичные и форсированные, режимы запуска и работы ТД, а также обеспечивается высокая надежность и работоспособность ТДВСМ. Запускать ТДВСМ можно одним или двумя стартерами 12 в каждом МС1 и (или) МС2. При этом запуск стартерами 12 или накатом движителя можно осуществлять без предварительной подготовки компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию или с предварительной подготовкой.In TDVSM start system and intake system are duplicated MC1 and MS2. Duplication combines a variety of, including economical and forced, modes of launch and operation of the AP, as well as high reliability and operability of the TDVSM. You can start the TDVSM with one or two
При запуске ТДВСМ от стартера(ов) 12 или через вал 4 отбора мощности, производимый без предварительной подготовки компонентов топливной смеси, механизм 82 управления ГРМ 26 (управления двигателем) включен. Через групповой привод механической передачи работают компрессоры (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, насосы РНО 8, РНВ 9, РНМ 10, РНТ 11, стартеры 12 и генераторы 13, вращаются многопоршневые роторные колеса 64 (63 и 64 при запуске накатом), продувая индивидуальные магистрали расширения. По индивидуальным магистралям сжатия компоненты топливной смеси поступают через систему обратных клапанов и монтажно-теплообменных отсеков в ТМ 25 для внутреннего смесеобразования (см. описание многоканальной системы впуска и системы питания). При включенном механизме 82 управления в ГРМ 26 впускное окно 80 регулировочного клапана 79 и впускное окно 89 корпусной оболочки 86 частично или полностью совмещены. Сжатый воздух проходит через РИВ 27 и совмещенные в ГРМ 26 окна 80 и 89 с частотой работы компрессоров (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7. Воздух пульсирующим образом подается через обратные клапаны 110 и воздушные 113 жиклеры плавающего поршня 104 в камеру сгорания ТМ 25, продувая ее для наполнения свежим зарядом топливной смеси. Вращение компрессорных 64 (запуск стартером 12) или всех (тягового 63 и компрессорных 64 при запуске накатом или сжатым воздухом) роторных колес способствует продувке магистрали расширения и равномерному заполнению свежим зарядом камеры сгорания ТМ 25. Во время запуска и при дальнейшей работе ТДВСМ в РИВ 27 создаются и пополняются запасы сжатого воздуха, его пульсации практически исчезают, а избыточное давление воздуха даже стравливается в магистраль расширения через предохранительный клапан 127. В то же время топливным преобразователем 81 открываются топливные 112 жиклеры плавающего поршня 104, через которые жидкое моторное топливо поступает в камеру сгорания ТМ 25. В камере сгорания ТМ 25 осуществляется внутреннее смесеобразование эжекторным принципом действия с аэрозольным распылением и перемешиванием воздуха и жидкого топлива, так как кинетическая энергия потока сжатого воздуха отсасывает жидкое топливо из топливного преобразователя 81 и распыляет его. Постоянными электрическими искровыми разрядами свечей 114 зажигания холодная и плохо перемешанная топливная смесь в камере сгорания ТМ 25 воспламеняется и сгорает. Давление в камере сгорания ТМ 25 возрастает, расширяющиеся газы ускоренно истекают через комбинированное расширительное сопло 24 и направляющее отверстие 23, вращая многопоршневые роторные колеса 63 и 64, и по магистралям расширения удаляются в атмосферу окружающей среды. Причем скорость сгорания топливной смеси со временем постепенно увеличивается и интенсивность тепловыделения в камере сгорания ТМ 25 возрастает. Возрастающее с прогревом ТДВСМ тепловыделение в камере сгорания ТМ 25 регулируется уровнем смесеобразования и задается приводом механизма 82 управления, а цикл подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 устанавливается плавающим поршнем 104 по тепловому и механическому балансу ТДВСМ. Самоустанавливающееся смесеобразование осуществляется под давлением компонентов топливной смеси, поступающих в камеру сгорания ТМ 25. Плавающим поршнем 104 поступление топлива и воздуха в камеру сгорания ТМ 25 прекращается при избыточных давлениях газов в камере сгорания ТМ 25. До тех пор, пока в процессе расширения рабочими телами не будет совершена механическая работа, соответствующая тепловыделению, давление в камере сгорания ТМ 25 не упадет, смещенный плавающий поршень, поджатый пружиной 106, не вернется в свое исходное положение для того, чтобы обеспечить новое смесеобразование топлива с воздухом. Процесс подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 ускоряется не только теплообменными процессами, происходящими в ТМ 25, но и дополнительной подачей окислителя в камеру сгорания ТМ 25. Перекись водорода постоянно пересекает фронт распространения пламени в камере сгорания у жаропрочного купола 90 испарителя и периодически пересекает фронт распространения пламени вокруг плавающего поршня 104 при его смещениях. Высокоскоростное сгорание топливной смеси происходит с интенсивным тепловыделением в камере сгорания ТМ 25, которое теплообменными процессами частично используется для подготовки компонентов топливной смеси как к внутреннему смесеобразованию, так и к преобразованию перекиси водорода и воды в перегретый пар. В процессе запуска нагретая вода из парогенератора 100 комбинированного расширительного сопла 24 поступает в направляющее отверстие 23 и перемешивается с ускоренно истекающим из комбинированного расширительного сопла 24 газовым потоком. При запуске ТДВСМ перекись водорода в камере сгорания ТМ 25 и вода в направляющем отверстии 23 аэрозольно перемешиваются с ускоренно расширяющимся газовым потоком, увеличивая его массу, и суммарным импульсом сил бинарных рабочих тел воздействует на многопоршневые роторные колеса 63 и 64 ТПР 21. Самонастраивающийся цикл подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 устанавливается плавающим поршнем 104 по тепловому и механическому энергетическому балансу. Заданный приводом механизма 82 управления уровень самоустанавливающегося смесеобразования осуществляется плавающим поршнем 104 под избыточным сбалансированным давлением топлива и воздуха, превышающим давление рабочих тел в камере сгорания ТМ 25. Цикл подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 предопределяет уровень тепловыделения фиксированным положением плавающего поршня 104 по энергетическому балансу ТДВСМ. Причем цикл подвода теплоты при постоянном объеме, смешанный или при постоянном давлении происходит соответственно при подвижном и (или) неподвижном положении плавающего поршня 104. Зачастую такое внутреннее смесеобразование имеет переходной, в том числе и затухающий колебательный, характер и фактически не зависит от угловой скорости вращения валов 4 и 15 отбора мощности при достаточных запасах компонентов топливной смеси, подготовленных к внутреннему смесеобразованию. Альтернативное форсуночное (инжекторное) смесеобразование, применяемое в ДВС, осуществляет внутреннее смесеобразование с жесткой зависимостью от вращения вала отбора мощности. Тогда как внутреннее смесеобразование, осуществляемое плавающим поршнем 104 в ТДВСМ, обеспечивает тепловыделение в камере сгорания ТМ 25 с более гибкой функциональной зависимостью от вращения валов 4 и 15 отбора мощности внешней и внутренней нагрузки, что позволяет полнее использовать внутреннюю энергию топливной смеси, а также подготовить к смесеобразованию новую порцию заряда. Запуск ТДВСМ с одновременной последовательностью осуществления термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения обеспечивается работой стартера 12, накатом движителя или сжатым в РИВ 27 воздухом. При этом в рабочем цикле ТДВСМ камера сгорания с комбинированным расширительным соплом 24 постепенно прогреваются, и компоненты топливной смеси нагреваются теплообменными процессами, происходящими в ТМ 25. Реакционная способность и давление компонентов топливной смеси постепенно возрастают, повышается качество внутреннего смесеобразования в камере сгорания ТМ 25, и высокоскоростное сгорание топливной смеси происходит с более интенсивным тепловыделением. Выравнивается тепловой и механический баланс ТД, и при ускоренно истекающем через комбинированное расширительное сопло 24 потоке рабочих тел обеспечивается устойчивая работа ТДВСМ. Стартер 12 отключают, так как необходимость в его работе отпадает. В принципе стартер 12 и генератор 13 может быть функционально совмещен в один электродвигатель, в котором режим работы стартера изменится на режим работы генератора. Запуск ТДВСМ без подготовки компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию во многом аналогичен запуску ДВС, ГТД и других ТД. Такой запуск затруднен в зимних условиях эксплуатации ТДВСМ и неустойчив, не обеспечивает топливную экономичность двигателя при плохом смесеобразовании и сгорании топливной смеси во время прогрева двигателя до его устойчивой работы. Однако запуск в ТДВСМ возможен и с предварительной подготовкой компонентов топливной смеси.When starting the TDVSM from the starter (s) 12 or through the power take-off
При запуске ТДВСМ с предварительной подготовкой компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию механизм 82 управления ГРМ 26 (механизм управления двигателем) отключен, а компоненты топливной смеси так же подаются по индивидуальным магистралям сжатия через систему обратных клапанов и монтажно-теплообменных отсеков в ТМ 25. Во время запуска воздух и окислитель (из камеры сгорания ТМ 25), а также охладитель (из парогенератора 100 комбинированного расширительного сопла 24) по индивидуальным магистралям расширения удаляется вращающимися многопоршневыми роторными колесами 63 и 64 ТПР 21 (эжекторным принципом действия) в атмосферу окружающей среды. В дальнейшей работе ТДВСМ окислитель способствует высокоскоростному сгоранию топлива и интенсивному тепловыделению в камере сгорания ТМ 25. Охладитель и часть невостребованного окислителя, перемешиваясь с расширяющимся газовым потоком, увеличивают суммарный импульс рабочих тел и снижают высокотемпературное воздействие на элементы конструкции двигателя при сгорании и расширении рабочих тел в процессе запуска и работы ТДВСМ. При подготовке к запуску топливные 112 жиклеры плавающего поршня 104 в ГРМ 26 перекрыты топливным преобразователем 81, внутреннее смесеобразование топлива с воздухом в камере сгорания ТМ 25 отсутствует. Поэтому при запуске в замкнутых объемах теплообменных отсеков магистралей сжатия как сжатый воздух, так и жидкое моторное топливо, подвергают электротермической обработке. Для такой подготовки топливной смеси в ТМ 25 совмещают завершение процесса сжатия с процессом подвода теплоты. Смысл подготовки сводится к повышению реакционной способности молекул при их совместном взаимодействии, заключается в ослаблении межмолекулярных валентных связей топлива, возбуждении и активации молекул топлива и воздуха, в том числе с аллотропическими изменениями молекул. В результате предварительной подготовки компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию гетерогенное смесеобразование (жидкость - газ) заменяется гомогенным газообразным смесеобразованием (газ - газ), что расширяет пределы воспламеняемости топливной смеси и исключает многие факторы, влияющие на скорость сгорания и интенсивность тепловыделения. Жидкостная система охлаждения в (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7 способствует плавной, равномерной работе компрессоров и увеличению массового заряда сжимаемого атмосферного воздуха. Сжатый компрессорами до 1,0 МПа воздух поступает в РИВ 27, где накапливается и со временем нагревается, утилизируя тепловые потери двигателя, и ионизатором 29 ионизируется. В РИВ 27 не только сглаживаются колебания давления, вызываемые пульсирующей подачей и прерывистым и неравномерным расходом сжатого воздуха, но и осуществляется ионизаторами 29 дальнейшая топливная подготовка, например в виде фото-, термо-, ударной и (или) электроионизации. Таким образом, в подготовленном для смесеобразования сжатом воздухе происходят аллотропические видоизменениям молекул кислорода, из которых в результате образуются более активные для окисления молекулы озона. При запуске ТДВСМ включают регулируемый приводом механизма 82 управления подогрев воздуха и топлива. Подогрев сжатого воздуха осуществляют в ГРМ 26 термоэлектрическими нагревателями 126, а жидкое моторное топливо перегревают электрическим нагревательным элементом 120, расположенным в центральном отверстии 118 топливного преобразователя 81. При работе двигателя предварительный подогрев сжатого воздуха происходит в РИВ 27 рекуперативным теплообменом с элементами корпусной оболочки 20 и теплообменными капиллярными трубками 30. Затем в ГРМ 26 электротермическая обработка сжатого воздуха осуществляется термоэлектрическими нагревателями 126 и завершается плавающим поршнем 104 ГРМ 26, поэтому температура сжатого озонированного воздуха, подготовленного в внутреннему смесеобразованию, может быть доведена до 300°С...400°С при запуске, а затем и до 400°С...500°С при работе, что вполне достаточно для самовоспламенения топливной смеси, тем более, что процесс воспламенения дублируется постоянными искровыми разрядами свечей зажигания 114 и впрыском окислителя. Утилизация тепловых потерь ТД, осуществляемая компонентами топливной смеси в результате регенеративного и рекуперативного теплообмена, способствует не только увеличению термического к.п.д. двигателя, но и лучшему сгоранию топливной смеси. Активизированные и возбужденные молекулы топлива и воздуха обладают большей реакционной способностью к совместному взаимодействию, приводящему к высокоскоростному и даже детонационному (взрывному) сгоранию топлива с интенсивным тепловыделением и увеличенным суммарным импульсом рабочих тел, ускоренно истекающих при расширении из комбинированного расширительного сопла 24. Аналогичным образом в ТДВСМ осуществляется поступление остальных топливных компонентов по своим трактам магистралей сжатия, в том числе и жидкого топлива по тракту поступления топлива в топливную систему ГРМ 26 и его топливного преобразователя 81, у которого топливный жиклер 119 перекрыт плавающим поршнем 104. Жидкое моторное топливо, находящееся без доступа воздуха в замкнутом объеме центрального отверстия (полости) 118 топливного преобразователя 81, перегревается электрическим нагревательным элементом 120 до температуры, превышающей температуру его кипения. Для этого электрическим нагревательным элементом 120 подводится и передается теплота парообразования, превышающая удельную теплоту парообразования жидкого моторного топлива. Температура кипения разных моторных топлив различна и находится в диапазоне 35°С...350°С, кроме того, бензины и керосины состоят из смеси углеводородов и поэтому не имеют определенной точки кипения, так как вначале закипают наиболее легкоиспаряющиеся топливные компоненты, а с повышением температуры и остальные, при этом удельная теплота парообразования для жидких моторных топлив доходит до 300...400 и даже 970 (кДж/кг). После непродолжительной подготовки компонентов топливной смеси механизм 82 управления включают, и в ГРМ 26 ТМ 25 поворачивается регулировочный клапан 79, совмещенный винтовой парой с топливным преобразователем 81. При повороте частично и (или) полностью совмещается впускное окно 89 корпусной оболочки 86 в ГРМ 26 с профилированным впускным окном 80 регулировочного клапана 79 и сжатый озонированный воздух из РИВ 27 поступает в ГРМ 26, где нагревается термоэлектрическим нагревателем 126. Сжатый нагретый озонированный воздух заполняет камеру сгорания ТМ 25, проходя через обратные клапаны 110 и воздушные 113 жиклеры плавающего поршня 104, и устремляется в магистраль расширения, где, ускоряясь в комбинированном расширительном сопле 24 и направляющем отверстии 23, попадает на вращающиеся многопоршневые роторные колеса 63 и 64. Идет опережающий процесс очистки и подготовка камеры сгорания ТМ 25 к свежему заряду. Топливный преобразователь 81 во время поворота регулировочного клапана 79 поступательно отходит от плавающего поршня 104 и открывает топливные 112 жиклеры. В то же время жидкое моторное топливо, перегретое электрическим нагревателем 120 в замкнутом объеме теплообменного отсека 118 и жиклера 119 топливного преобразователя 81, через приоткрытую полость 108 и топливные 112 жиклеры плавающего поршня 104 под давлением газообразного потока устремляется в камеру сгорания ТМ 25. Направленные топливными 112 и воздушными 113 жиклерами плавающего поршня 104 газообразные потоки легких и тяжелых фракций топлива и озонированного воздуха под собственным давлением циклонообразно перемешиваются, образуя в камере сгорания ТМ 25 вихревую топку с самовоспламенением топливной смеси. Высокоскоростное сгорание качественно подготовленной топливной смеси происходит с интенсивным тепловыделением. В результате топливной подготовки достигается топливная экономичность и практически не требуется прогрев, необходимый для совершения устойчивой работы двигателя.When starting the TDVSM with preliminary preparation of the fuel mixture components for internal mixture formation, the timing control mechanism 82 (engine control mechanism) is disabled, and the fuel mixture components are also fed through individual compression lines through a system of check valves and mounting and heat-exchange compartments in
Запуск ТДВСМ, отличающийся сочетанием разнообразных вариантов, в том числе с подготовкой топливной смеси, обеспечивает топливную экономичность и надежность запуска.The launch of the TDVSM, characterized by a combination of various options, including the preparation of the fuel mixture, provides fuel efficiency and reliability of the launch.
Запуск и последующая работа ТДВСМ реализуется рабочим циклом с одновременной последовательностью осуществления термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, что позволяет осуществить подготовку компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию. При разделении энергетических затрат на внутреннюю и внешнюю нагрузки и создании каскада монтажно-теплообменных отсеков в магистралях сжатия ТДВСМ применяется продолжительная по времени ионизация сжатого воздуха и используется теплообменный подогрев компонентов топливной смеси. Окончательная подготовка жидких компонентов реализуется явлением фазового перехода первого рода, возникающим в замкнутых теплообменных отсеках ТМ 25, в том числе и в замкнутом (или ограниченном плавающим поршнем 104) отсеке 118 топливного преобразователя 81. Тогда как сжатый воздух запасается и подогревается в РИВ 27, где продолжительное время ионизируется, а ионизатором 29 обеспечиваются аллопропические изменения молекул кислорода (кислород преобразуется в более агрессивный окислитель озон). Созданные в РИВ 27 запасы сжатого воздуха обладают потенциальной энергией, достаточной для обеспечения собственных потребностей ТДВСМ при поступлении всех топливных компонентов в ТМ 25 и осуществлении ГРМ 26 самоустанавливающегося внутреннего смесеобразования с принудительным воспламенением топливной смеси в камере сгорания от свечей 114 зажигания. Во время запуска и работы ТДВСМ в камере сгорания ТМ 25 тепловая энергия, выделяемая при внутреннем подводе теплоты, дополняется кинетической энергией расширяющегося пара, полученного в парогенераторе 100 комбинированного расширительного сопла 24 при внешнем подводе теплоты. В конечном итоге кинетическая энергия с увеличенной массой парогазового потока бинарных рабочих тел суммарным импульсом сил обеспечивает в ТПР 21 вращение всех роторных колес 63 и 64, завершая последовательность энергетических преобразований механической работой ТДВСМ. Неизбежные тепловые потери ТД через теплообменные процессы утилизируются компонентами топливной смеси, что способствует их предварительной подготовке как для внутреннего смесеобразования (топливо, воздух и окислитель), так и для подготовки бинарного рабочего тела (вода системы охлаждения постепенно превращается в пар). Завершение подготовки компонентов топливной смеси заключается в дополнительном подводе теплоты парообразования. Достигается осуществлением фазового перехода первого рода при совмещении процессов сжатия с упреждающим в ТМ 25 и форсированным электротермической обработкой в ГРМ 26 процессом подвода теплоты, как перед процессом смесеобразования, так и в ходе его осуществления. При фазовом переходе первого рода происходит переход вещества из одной фазы в другую, со сменой агрегатного состояния жидкого моторного топлива на газообразное топливо, включая его различные легкие и тяжелые фракции. Фазовый переход процесса испарения и кипения жидкого моторного топлива в замкнутом объеме полости 118 топливного преобразователя 81 скачком изменяет плотность топлива, его внутреннюю энергию, энтропию и энтальпию. При запуске и дальнейшей работе ТДВСМ в ТМ 25 в процессе сжатия дополнительно подводится теплота фазового перехода в секционном теплообменнике 92, ГРМ 26 и топливном преобразователе 81. Теплота, измеряемая скачком энтальпии (теплосодержания) при постоянстве температуры и давления или объема, подводится импульсно при постоянстве объема в изохорическом процессе и (или) постоянно при неизменном давлении в изобарическом процессе, что зависит от самонастраивающегося подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25. Самонастраивающийся подвод теплоты зависит от теплового и механического баланса двигателя, определяется тепловыделением в камере сгорания ТМ 25 и сопротивлением общей нагрузки ТДВСМ. Подвод теплоты зависит от положения плавающего поршня 104 в камере сгорания ТМ 25 при самоустанавливающемся смесеобразовании по заданному приводом механизма 82 управления уровню смесеобразования, формирующего топливный заряд. При запуске и работе ТДВСМ уровень смесеобразования задается (в ручном режиме управления работой ТД) приводом механизма 82 управления. При включенном механизме 82 управления внутреннее смесеобразование в камере сгорания ТМ 25 регулируется подачей топлива и обеспечивается пропускной способностью топливных жиклеров 112 и 119, а также изменением зазора в полости 108, образовавшейся между плавающим поршнем 104 и топливным преобразователем 81. Поступление сжатого воздуха через обратные клапаны 110 и воздушные 113 жиклеры осуществляется самостоятельно, регулируется и контролируется обратными клапанами 110, тогда как поступление в камере сгорания ТМ 25 топлива обеспечивается и контролируется плавающим поршнем 104, поджатым пружиной 106, прекращается и возобновляется при его перемещениях. Однако в пределах установленной механизмом 82 управления подачи топлива (при постоянном зазоре в полости 108 и автоматическом управлении работой ТД) внутреннее смесеобразование самостоятельно корректируется дополнительной подачей воздуха. При увеличении внешней нагрузки в ТПР 21 изменяются крутящие моменты вращения многопоршневых роторных колес 63 и 64. Ускоренным вращением компрессорных роторных колес 64 через групповой привод механической передачи увеличивается поступление компонентов топливной смеси в ТМ 25 и повышенным давлением корректируется в камере сгорания ТМ 25 внутреннее смесеобразование. Причем независимым разделением энергетических потоков топлива и воздуха в ГРМ 26 обеспечивается опережающее поступление сжатого воздуха, что определяется большей пропускной способностью обратных клапанов 110 с воздушными жиклерами 113 по сравнению с пропускной способностью топливных 119 и 112 жиклеров при различном возрастании давлений воздуха и топлива. При этом тепловыделение в камере сгорания ТМ 25 обедненной топливной смеси компенсируется массой смесеобразования, а полное сгорание обогащенной топливной смеси достигается дополнительной подачей окислителя. В любом случае при автоматической или ручной корректировке топливной смеси увеличивается масса рабочих тел, ускоренно истекающих из комбинированного расширительного сопла 24. Теплообменные процессы, происходящие в камере сгорания ТМ 25 между ее элементами и компонентами топливной смеси, не снижая интенсивности тепловыделения, уменьшают влияние высокотемпературных воздействий на элементы конструкции ТД и применяемые материалы. Таким образом, в камере сгорания ТМ 25 ТДВСМ осуществляется подвод теплоты при постоянном объеме (полностью пульсирующий) или смешанный подвод теплоты (частично пульсирующий) или подвод теплоты при постоянном давлении (непрерывный). В цикле подвода теплоты при постоянном объеме жидкое моторное топливо, перегретое без доступа воздуха в замкнутом объеме полости 118 топливного преобразователя 81 (в результате фазового перехода первого рода), резко изменяет объем и быстро испаряется. Топливо под высоким давлением в газообразном состоянии легких и тяжелых фракций устремляется в камеру сгорания ТМ 25. Топливные 112 и воздушные 113 жиклеры в плавающем поршне 104 обеспечивают циклоническое завихрение и хорошее перемешивание легких и тяжелых газовых фракций топлива с воздухом. Качественно подготовленная топливная смесь самовоспламеняется, образуя в камере сгорания ТМ 25 вихревую топку. Принудительное бесперебойное воспламенение электрической искрой от свечей 114 зажигания с самоустанавливающимся по тепловыделению впрыском окислителя дублирует воспламенение топливной смеси и способствует более полному гомогенному диффузионному сгоранию топлива. В цикле подвода теплоты при постоянном давлении жидкое моторное топливо при фазовом переходе первого рода вскипает, протекая через отсек 118 и жиклер 119 топливного преобразователя 81, затем проходит регулировочную полость 108 и топливные 112 жиклеры плавающего поршня 104 и в парогазообразном виде тяжелых и легких фракций поступает в камеру сгорания ТМ 25. Аналогичный процесс происходит с окислителем, который, перегреваясь в секционном теплообменнике 92 ТМ 25, также в парогазообразном виде пересекает фронт распространения пламени в камере сгорания ТМ 25. Количественное и качественное поступление окислителя нормируется пропускной способностью жиклеров 102 и 103 при основной и дополнительной подаче окислителя. Таким образом, при запуске и работе ТДВСМ, самоприспосабливающийся к изменению внешней нагрузки, обеспечивает по тепловому и механическому балансу самонастраивающийся цикл подвода теплоты при самоустанавливающемся внутреннем смесеобразовании. Причем ручное управление изменения качественного и количественного соотношения состава топливной смеси корректируется автоматически по заданному уровню смесеобразования.The launch and subsequent operation of the TDVSM is carried out by a work cycle with a simultaneous sequence of thermodynamic processes of compression, heat supply and expansion, which allows the preparation of the components of the fuel mixture for internal mixture formation. When dividing the energy costs into internal and external loads and creating a cascade of mounting and heat-exchange compartments in the TDVSM compression lines, a long-term ionization of compressed air is used and heat-exchange heating of the fuel mixture components is used. The final preparation of liquid components is realized by a first-order phase transition phenomenon that occurs in
Режим работы любого ТД характеризуется совокупностью параметров, ограничивающих его работу (крутящий момент, угловая скорость, расход топлива и воздуха и многие другие влияющие факторы). Он может быть установившимся (равновесным) при стабильных параметрах работы двигателя с учетом тяговой, стационарной или винтовой характеристик потребителя. Однако ТД довольно часто приходится работать в различных условиях переходных процессов при неустановившихся (неравновесных) режимах, вызванных изменением порой даже одного параметра. При работе ТД наиболее типичными возмущениями его нормальной устойчивой работы являются изменение внешней нагрузки на выходном валу отбора мощности и изменение его заданного скоростного режима работы. Положительное самовыравнивание двигателя без какого-либо воздействия на его органы управления обеспечивает установившийся режим работы ТДВСМ, самоприспосабливающийся к изменению внешней нагрузки. Поддерживая равенство крутящего момента на валу 4 отбора мощности и момента сопротивления нагрузки, ТДВСМ при запуске и работе перераспределяет в ТПР 21 силовые энергетические потоки рабочих тел на валах отбора мощности 4 внешней и 15 внутренней нагрузки. При установленном тепловыделении и возрастании внешней нагрузки ТПР 21, снижая угловую скорость вращения тягового роторного колеса 63 с валом отбора мощности 4 внешней нагрузки, увеличивает угловые скорости вращения компрессорных роторных колес 64 при асинхронном опережающем вращении валов отбора мощности 15 внутренней нагрузки. При возрастании внешней нагрузки тепловые потери в камере сгорания ТМ 25 возрастают, увеличивая теплообменными процессами в ТМ 25 подготовку компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию, в том числе и через групповой привод механической передачи, увеличивая их подачу. Причем у компонентов топливной смеси, находящихся в РИВ 27, секционном теплообменнике 92, парогенераторе 100 и ГРМ 26 степень повышения давления возрастает. В камеру сгорания ТМ 25 под собственными давлениями увеличивается поступление топлива и воздуха через жиклеры 112 и 113 плавающего поршня 104, а через жиклеры 102 и 103 (при необходимости) поступление окислителя, в результате чего самоустанавливающимся внутренним смесеобразованием в камере сгорания ТМ 25 увеличивается заряд топливной смеси. Самовоспламенение и высокоскоростное сгорание топливной смеси с интенсивным тепловыделением в камере сгорания ТМ 25 восстанавливает установленный приводом механизма 82 управления нарушенный тепловой и механический баланс ТДВСМ. Так в ТДВСМ восстанавливается нарушенное равенство энергетического баланса термодинамического цикла ТД и обеспечивается способность термодинамической системы (внутренней энергии, давления и объема) при заданном тепловыделении выполнить необходимую механическую работу по преодолению внутренней и внешней нагрузок. Наличие давления рабочих тел, образовавшихся в камере сгорания ТМ 25, создает потенциальную возможность для выполнения механической работы. Воплощение в механическую работу тепловой энергии реального тепловыделения с увеличенным давлением происходит при изменении объема рабочих тел в магистралях расширения, включая камеру сгорания ТМ 25, комбинированное расширительное сопло 24 с направляющим отверстием 23 и ТПР 21 с его вращающимися роторными колесами 63 и 64. Установившийся режим работы ТД поддерживается во временном интервале при условии равенства количества подводимой и отводимой энергии с соблюдением теплового и механического балансов. Для этого собственные потребности ТДВСМ и его устойчивая работа во время запуска и работы обеспечиваются подготовкой в ТМ 25 компонентов топливной смеси в постоянном объеме по температуре и давлению с созданием необходимого топливного заряда внутреннего смесеобразования для достаточного тепловыделения в камере сгорания ТМ 25. При запуске и работе в режиме холостого хода (ТД работает «сам на себя») тепловыделение в камере сгорания ТМ 25 компенсирует внутренние тепловые и механические потери ТДВСМ при синхронном вращении валов внешней 4 и внутренней 15 нагрузки. ТДВСМ поддерживает через групповой привод механической передачи давление компонентов топливной смеси для самоустанавливающегося внутреннего смесеобразования при синхронном вращении валов отбора мощности внешней 4 и внутренней 15 нагрузки. Недостаточное для преодоления внешних нагрузок тепловыделение увеличивается при работе ТДВСМ. Через привод механизма 82 управления доводят тепловыделение в камере сгорания ТМ 25 до уровня, достаточного для преодоления ТДВСМ внешней нагрузки при асинхронном или синхронном вращении валов отбора мощности 4 внешней и 15 внутренней нагрузки всех роторных колес 63 и 64 ТПР 21. Меняя поступление топлива приводом механизма 82 управления, в камере сгорания ТМ 25 изменяют тепловыделение, способное обеспечить работу ТДВСМ с замедленным, равномерным и ускоренным вращением валов 4 и 15 отбора мощности при их асинхронном или синхронном вращении. Именно равноускоренное, равномерное или равнозамедленное движение транспортного средства (движителя) обобщает разнообразные режимы работы любого ТД и отражает общее состояние его энергетического баланса. Сжатый в герметичных объемах (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7 воздух, подача которого в камеру сгорания ТМ 25 регулируется обратными клапанами 110 через воздушные 113 жиклеры плавающего поршня 104, исключает при работе ТДВСМ помпаж, присущий ГТД. Сжатый воздух обладает потенциальной энергией, способной при расширении в камере сгорания ТМ 25 и ускоренном истечении из комбинированного расширительного сопла 24 с сопрягающим направляющим отверстием 23 переходить в кинетическую энергию воздушного потока. Ускоренно истекающий воздушный поток воздействует в тангенциальном направлении на роторные колеса 63 и 64 ТПР 21 и трансформируется в кинетическую энергию вращения вала 4 внешней и валов 15 внутренней нагрузки двигателя, совершая при этом механическую работу. Однако запасы потенциальной энергии сжатого воздуха очень быстро закончатся при тепловых и механических потерях ТД, вращение валов отбора мощности 4 внешней и 15 внутренней нагрузок прекратится, а ТДВСМ остановится. Поэтому при запуске и работе ТДВСМ для получения и восполнения запасов компонентов топливной смеси в РИВ 27, секционном теплообменнике 92 ТМ 25 и его ГРМ 26 подготавливают компоненты топливной смеси к внутреннему смесеобразованию, увеличивая их потенциальную энергию. При самоустанавливающемся внутреннем смесеобразовании увеличивают степень повышения давления для компонентов топливной смеси до 1 МПа, повышая заряд топливной смеси во время заполнения камеры сгорания ТМ 25 газообразным топливом и сжатым ионизированным воздухом. Пересекающиеся потоки газообразного топлива и нагретого озонированного воздуха сводят к минимуму влияние остаточных газов в камере сгорания ТМ 25, а самовоспламенение топливной смеси дублируют электрическими разрядами свечей 114 зажигания. Кроме того, топливную смесь дожигают перекисью водорода, которая пересекает фронт распространения пламени в камере сгорания ТМ 25, поступая из жиклеров 102 и 103. Такому эффективному сгоранию предшествует предварительная подготовка топливных компонентов к внутреннему смесеобразованию, осуществляемая рекуперативным и регенеративным теплообменом в ТДВСМ. В результате подготовки топливных компонентов их атомы и молекулы активизируются и переходят в возбужденное состояние, а затем при внутреннем смесеобразовании в камере сгорания ТМ 25 взаимодействуют между собой с меньшей энергией активации, необходимой топливному заряду для осуществления скоротечных экзотермических реакций. Высокоскоростное сгорание топливного заряда происходит с интенсивным тепловыделением как во время внутреннего смесеобразования (цикл подвода теплоты при постоянном давлении), так и после завершения внутреннего смесеобразования (цикл подвода теплоты при постоянном объеме). Выделяемая при этом тепловая энергия способствует 5...10-кратному повышению давления в камере сгорания ТМ 25. Последующее расширение больших давлений рабочих тел в малых герметичных объемах расширения дополняется расширением малых давлений рабочих тел в больших негерметичных объемах расширения, что способствует более полному превращению процесса расширения в механическую работу и обеспечивает топливную экономичность ТДВСМ. Интенсивное тепловыделение, полученное в результате быстрого и полного сгорания топлива, в том числе и детонационного, имеет корпускулярно-волновой характер. При этом выделяемая тепловая энергия приводит к резкому увеличению (давления) хаотичного молекулярно-атомарного движения частиц продуктов сгорания (рабочих тел) по всем степеням свободы (всем направлениям в камере сгорания ТМ 25) с изменением потенциальной и кинетической энергии рабочего тела. Совместно с волновым излучением часть импульсов сил рабочего тела через теплообменные процессы, происходящие главным образом в камере сгорания ТМ 25 и комбинированном расширительном сопле 24 магистрали расширения, затрачиваются на подготовку компонентов топливной смеси к последующему внутреннему смесеобразованию. Газовый поток, ускоренно истекающий со сверхзвуковой скоростью из комбинированного расширительного сопла 24, перемешивается в направляющем отверстии 23 с паром, выходящим из парогенератора 100 комбинированного расширительного сопла 24. По закону сохранения импульса тангенциально направленный поток рабочих тел суммарным импульсом сил изменяет импульсы сил (количество движения) тягового 63 и компрессорных 64 роторных колес. Импульсы сил, действующие на поршневые лопасти 65 и 66, вращают роторные колеса 63 и 64, изменяя их крутящие моменты, и совершают механическую работу на валу 4 отбора мощности (вал внешней нагрузки) и валах 15 собственных потребностей двигателя (валы внутренней нагрузки). При этом изменение количества движения равно импульсу силы и происходит по направлению действия силы. В отсеках жаропрочного секционного теплообменника 92 вода в отсеке 93, дополнительный окислитель в отсеке 94 и топливо в отсеке 95 снижают высокотемпературное воздействие рабочих тел на камеру сгорания ТМ 25 и другие элементы конструкции ТДВСМ. Окислитель (перекись водорода) применяется для гарантированного сжигания топлива при недостаточном поступлении воздуха в камеру сгорания ТМ 25 и совместно с водой, преобразованной в парогенераторе 100 комбинированного расширительного сопла 24 в перегретый пар, используется как бинарное рабочее тело, но уже в комбинированном термодинамическом цикле ТДВСМ. Рабочие циклы ДВС, РПД и ГТД частично преобразуют выделяемое тепло в механическую работу. В ДВС и РПД расширяющиеся в малых герметичных объемах газы давят на поршень, при этом часть тепла отводится системой охлаждения, снижая температурные напряжения элементов конструкции ТД. В ГТД расширяющиеся в больших негерметичных объемах газы ускоренно истекают реактивной струей, вращая турбину, однако, выделяемая тепловая энергия используется также не производительно и удаляется в окружающую среду. Тепловая энергия, выделяемая в камере сгорания ТМ 25, зависит от количественного и качественного состава поступившей и сгоревшей топливной смеси. Приводом механизма 82 управления в камере сгорания ТМ 25 может быть создана обедненная, нормальная или обогащенная топливная смесь. ГРМ 26 осуществляет автоматическое смесеобразование в камере сгорания ТМ 25, в зависимости от уровня подачи топлива и суммарной нагрузки на ТПР 21, обеспечивает самонастраивающуюся работу ТДВСМ по комбинированному термодинамическому циклу с постоянным давлением или с постоянным объемом или смешанному термодинамическому циклу работы двигателя. Одновременно ТДВСМ совмещает обычный газовый цикл работы двигателя с паротурбинным циклом.The operation mode of any AP is characterized by a set of parameters that limit its operation (torque, angular velocity, fuel and air consumption, and many other influencing factors). It can be steady (equilibrium) with stable parameters of the engine, taking into account traction, stationary or screw characteristics of the consumer. However, TD quite often has to work under various transient conditions under unsteady (nonequilibrium) modes caused sometimes even by a change in one parameter. When the AP is operating, the most typical perturbations of its normal stable operation are a change in the external load on the output power take-off shaft and a change in its predetermined speed mode of operation. Positive self-leveling of the engine without any impact on its controls ensures the steady-state operation of the TDVSM, which self-adapts to changes in the external load. Maintaining the equality of the torque on the power take-off
Различные режимы работы ТДВСМ отражают общее состояние его энергетического и эксергетического балансов, сводятся к соблюдению равенства крутящих моментов на валах отбора мощности 4 внешней и 15 внутренней нагрузки и моментов сопротивления внешней (дорожной) и внутренней нагрузки ТД с учетом подведенной и отведенной теплоты. Подобное равенство обеспечивается энергетическим балансом термодинамического цикла ТД и способностью термодинамической системы выполнить необходимую механическую работу по преодолению внутренней и внешней нагрузок при установленном, а затем и скорректированном подводе теплоты. Тепловой энергией, выделяемой в камере сгорания ТМ 25, обеспечивается устойчивая работа ТДВСМ при запуске и в режиме холостого хода. Энергетический баланс обеспечивается минимальным уровнем выделяемой тепловой энергии, затрачиваемой на преодоление сопротивления моментов инерции ТД, его механические и тепловые потери, связанные с реализацией рабочего цикла при осуществлении термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения. Дальнейшие режимы работы ТДВСМ требуют изменения тепловой энергии, выделяемой в камере сгорания ТМ 25. Для работы ТДВСМ в режиме равноускоренного или равномерного движения необходимо преодолеть возникающие инерционные воздействия, дорожное сопротивление внешней нагрузки и увеличение внутренней нагрузки при возрастании собственных потребностей, что обеспечивается повышением тепловыделения в камере сгорания ТМ 25 при увеличении топливного заряда для совершения положительной механической работы. Работа в режиме равнозамедленного движения или частичного торможения ТД обеспечивается снижением тепловыделения в камере сгорания ТМ 25 при уменьшении топливного заряда для совершения положительной механической работы по преодолению внешней нагрузки. Режим полного торможения ТДВСМ осуществляется без тепловыделения в камере сгорания ТМ 25 с прекращением подачи топлива в камеру сгорания ТМ 25 при отключении механизма 82 управления. При этом ТДВСМ совершает отрицательную механическую работу по преодолению внешней нагрузки и гасит кинетическую энергию транспортного средства внутренними нагрузками МС1 и МС2, обеспечивающими собственные потребности ТДВСМ без создания топливного заряда в камере сгорания ТМ 25 при внутреннем смесеобразовании. В результате комбинаторных сочетаний нагрузки на ТПР 21 в ГРМ 26 осуществляется самоустанавливающееся смесеобразование по положению плавающего поршня 104, обеспечивая обедненный, нормальный или обогащенный топливный заряд сжатого воздуха и газообразного топлива, поступающих под собственными давлениями в камеру сгорания ТМ 25. Фиксированным или перемещающимся положением плавающего поршня 104 устанавливается самонастраивающийся цикл подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 и обеспечивается тепловыделение: при постоянном давлении, смешанное или при постоянном объеме.The various modes of operation of the TDVSM reflect the general state of its energy and exergy balances; they are reduced to observing the equality of the torques on the power take-off
Если при работе ТДВСМ включенный механизм 82 управления приоткрыть незначительно, то малые порции дополнительно поступившего топлива и воздуха образуют в камере сгорания ТМ 25 обедненную или нормальную топливную смесь. Теплота, выделяемая в результате сгорания заряда топливной смеси, создает давление незначительно больше давления сжатого воздуха. Плавающий поршень 104, оставаясь на месте под усилием пружины 106 и давлений паров кипящего топлива и сжатого ионизированного воздуха, обеспечивает непрерывное внутреннее смесеобразование в камере сгорания ТМ 25 с постоянно пополняемым топливным зарядом и непрерывным сгоранием топливной смеси при постоянном давлении. Таким образом, в самонастраивающемся плавающим поршнем 104 цикле подвода теплоты при постоянном давлении образовавшийся газовый поток ускоренно истекает через расширительное сопло и вращает роторные колеса 63 и 64 ТПР 21, преодолевая их момент инерции, и удаляется в атмосферу окружающей среды, совершив механическую работу. Синхронное или асинхронное вращение роторных колес 63 и 64 ТПР 21 позволяет МС1 и МС2 через групповой привод механической передачи постоянно пополнять запасы компонентов топливной смеси в ТМ 25 МР3. В камере сгорания ТМ 25 происходит горение топлива при постоянном давлении, а ТДВСМ работает с совмещенным комбинированным циклом, в котором газовый цикл двигателя дополняется паротурбинным циклом. Пар из парогенератора 100 комбинированного сопла 24 поступает на вращающиеся роторные колеса 63 и 64 ТПР 21, увеличивая их крутящие моменты. Поступающий из жиклеров 102 в камеру сгорания ТМ 25 окислитель пересекает и дожигает топливную смесь в районе жаропрочного купола 90, в том числе и при возможных соскоках или отрыве пламени. При таком режиме работы транспортное средство может перемещаться некоторое время с равноускоренным движением по горизонтальной плоскости, при достижении определенной нагрузки, вызванной сопротивлением воздуха, продолжать равномерное движение, а при ее дальнейшем росте (встречный поток ветра) совершать какое-то время равноза-медленное движение. При равнозамедленном движении синхронизация вращения валов 4 и 15 нарушится. Обгонные муфты 68 отключатся и, в результате перераспределения газового потока в ТПР 21, вращение валов 15 увеличится, что в конечном итоге приведет к увеличенной подаче компонентов топливной смеси в ТМ 25 и автоматическому восстановлению нарушенного энергетического баланса. Значительное увеличение внешней нагрузки потребует ручной коррекции механизма 82 управления с количественным добавлением топлива и изменением качественного состава топливного заряда на нормальную или немного обогащенную топливную смесь, сгораемую в камере сгорания ТМ 25 с повышенным тепловыделением. Возрастание давления в камере сгорания ТМ 25 увеличивает ускоренное истечение газового потока и, через его импульс, моменты вращения роторных колес 63 и 64, что позволяет преодолевать увеличение внешней нагрузки.If during operation of the TDVSM the included
При дальнейшем и большем открытии механизма 82 управления подача преобразованного кипящего топлива в камеру сгорания ТМ 25 возрастает. При увеличении порции поступившего топлива и воздуха в камере сгорания ТМ 25 образуется нормальная или обогащенная топливная смесь. Давление, выделяемое в камере сгорания ТМ 25 в результате сгорания топливной смеси с увеличенным топливным зарядом, возрастет. Возросшее тепловыделение позволит преодолеть воздействие увеличенной внешней нагрузки (дорожного сопротивления), так как газовый поток, ускоренно истекая через расширительное сопло, увеличенным импульсом сил, изменяя крутящие моменты, быстрее вращает роторные колеса 63 и 64 ТПР 21. Вращающиеся роторные колеса 63 и 64, преодолевая при вращении изменение момента инерции, дополнительно выполняют функции маховиков, способствуя плавной работе ТДВСМ, снижают пульсирующие механические и термодинамические воздействия в ТД. Под избыточным давлением газов со стороны камеры сгорания ТМ 25 плавающий поршень 104 преодолевает прижимное усилие пружины 106 и смещается, перекрывая топливные жиклеры 112 и 119 топливным преобразователем 81. Подача топлива в камеру сгорания ТМ 25 прекращается, но одновременно с основной подачей окислителя из жиклеров 102 постепенно восполняется дополнительная подача окислителя из жиклеров 103. Таким образом, окислитель пересекает фронт пламени в камере сгорания ТМ 25 непрерывно из жиклеров 102 и импульсно из жиклеров 103, обеспечивая совместно с воздухом полное гарантированное сгорание обогащенной топливной смеси даже при соскоках или отрыве фронта пламени в камере сгорания ТМ 25. При больших избыточных давлениях в камере сгорания ТМ 25 поступление сжатого воздуха из РИВ 27 временно уменьшается или полностью перекрывается обратными клапанами 110. При падении давления в камере сгорания ТМ 25 плавающий поршень 104 возвращается на место, прекращая дополнительную подачу окислителя из жиклеров 103, тогда как окислитель из жиклеров 102 постоянно подается в камеру сгорания ТМ 25, дублируя воспламенение топливной смеси, поддерживает ее горение. Через открытые топливные 112 и 119 жиклеры перегретое в топливном преобразователе 81 жидкое топливо скачкообразно испаряется и перемешивается со сжатым озонированным воздухом, обеспечивая импульсное поступление топливного заряда в камере сгорания ТМ 25. Под действием избыточного давления в камере сгорания ТМ 25 обратные клапаны 110с разной производительностью частично или полностью последовательно и ступенчато закрываются, изменяя содержание сжатого воздуха в камере сгорания ТМ 25. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания ТМ 25 только при избыточном давлении РИВ 27. При избыточных давлениях газов в камере сгорания ТМ 25 обратные клапаны 110 закрываются, поступление воздуха прерывается до снижения давления газов при частичном их истечении из камеры сгорания ТМ 25 через расширительное сопло 24. Одновременное или чуть опережающее последовательное поступление воздуха, а затем и топлива в камеру сгорания ТМ 25 обеспечивает продувку камеры сгорания ТМ 25 и определяется расчетными значениями пружин обратных клапанов 110 и прижимной пружины 106 плавающего 104 поршня. Процесс внутреннего смесеобразования обеспечивается давлением компонентов топливной смеси, определяется последовательной ступенчатой пропускной способностью обратных клапанов 110 и соотношением поверхностей плавающего поршня 104 со стороны камеры сгорания ТМ 25 и с его обратной стороны. Импульсное сгорание нового обогащенного топливного заряда осуществляется с более интенсивным тепловыделением в цикле подвода теплоты при постоянном объеме. ТДВСМ при этом будет работать в пульсирующем режиме, который плавно сглаживается вращающимися маховиками роторных колес 63 и 64 ТПР 21.With further and greater opening of the
Смешанный цикл подвода теплоты занимает промежуточное положение между циклом подвода теплоты при постоянном давлении и более мощным циклом подвода теплоты при постоянном объеме. В смешанном цикле подвода теплоты плавающий 104 поршень периодически перемещается и как бы пульсирует между своими крайними положениями в камере сгорания ТМ 25, обеспечивая необходимое внутреннее смесеобразование и тепловыделение для переходного и наиболее частого "среднего" диапазона нагрузок ТДВСМ.The mixed heat supply cycle occupies an intermediate position between the heat supply cycle at constant pressure and the more powerful heat supply cycle at a constant volume. In the mixed heat supply cycle, the floating
Во всех циклах подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 ТДВСМ работает с совмещенным комбинированным циклом, в котором газовый цикл двигателя дополняется паротурбинным циклом за счет перегретых паров воды и остатков окислителя, которые из комбинированного сопла 24 поступают на поршневые лопасти 65 и 66 ТПР 21. Совмещение больших давлений в малых герметичных объемах расширения с малыми давлениями в больших негерметичных объемах расширения бинарных рабочих тел в ТПР 21 и сочетание внутреннего и внешнего подвода теплоты в камере сгорания ТМ 25 способствуют более полному превращению теплоты в механическую работу, сокращая тепловые потери ТДВСМ. При этом к.п.д. ТДВСМ повышается, транспортное средство перемещается с равноускоренным движением и при достижении определенной нагрузки продолжает равномерное движение. При возникновении значительной нагрузки движение транспортного средства станет равнозамедленным, вплоть до полной его остановки при непреодолимой внешней нагрузке. Однако ТДВСМ не заглохнет, а будет продолжать работать с нарушенной синхронизацией вращения валов 4 и 15, пытаясь автоматически восстановить тепловой и механический энергетический баланс даже при полном включении механизма управления 82 двигателя с ручной коррекцией в полуавтоматическом режиме работы. Энергетический недостаток комбинированного парогазового потока вследствие значительного возрастания внешней нагрузки на валу 4 отбора мощности приведет к замедлению вращения центрального роторного колеса 63, что может вызвать даже его остановку и термический перегрев. Самопроизвольное перераспределение комбинированного парогазового потока в ТПР 21 приведет к изменению угловых скоростей вращения боковых компрессорных колес 64 и их валов 15, которые через зубчатые колеса 14 группового привода механической передачи ускорят работу всех функциональных модулей, обеспечивающих подачу топливных компонентов. При увеличивающихся тепловых потерях возрастет давление топливных компонентов, а значит, и увеличится их массовая доля при поступлении в камеру сгорания ТМ 25, что приведет к восстановлению нарушенного теплового и механического баланса мощностей. Поэтому в таких условиях для ТДВСМ предпочтительна совместная работа с гидромеханическими трансмиссиями, которые способны защитить поршневые лопасти 65, 66 и роторные колеса 63 и 64 ТПР 21 от разрушительных высокотемпературных воздействий. Если центральное роторное колесо 63 и его вал 4 отбора мощности соединен с гидромеханической трансмиссией, то колесо 63 не остановится, а будет вращаться, и циклическое температурное воздействие на поршневые лопасти 65 и 66 роторных колес 63 и 64 будет уменьшено. Циклические температурные воздействия на поршневые лопасти 65 и 66 роторных колес 63 и 64 уменьшены и выгодно отличают по тепловым напряжениям ТДВСМ от ГТД и ДВС.In all heat supply cycles in the
В режиме торможения двигателем в ТДВСМ механизмом управления 82 двигателя уменьшается подача топлива частично или даже полностью. При полном перекрытии подачи топлива и воздуха вращение ТПР 21 в МР3 будет осуществляться по инерции под действием массы транспортного средства. Кинетическая энергия транспортного средства трансформируется в кинетическую энергию вращения вала 4 и валов 15, которые заблокированы обгонными муфтами 68 при опережающем вращении вала 4 отбора мощности. Кинетическая энергия вращения через групповой привод механической передачи, (РПК-1) 6 и (РПК-2) 7, а также РНО 8, РНВ 9, РНМ 10, РНТ 11 и генератор 13 преобразуется в потенциальную энергию подаваемых компонентов топливной смеси и электрическую энергию генераторов 13. Созданное в РИВ 27 избыточное давление сжатого воздуха стравливается в магистраль расширения (на фиг.1...8 не показаны) и в ГРМ 26 через воздушный предохранительный клапан 127, установленный в корпусной оболочке 86 ТМ 25. Сжатый воздух выпускается через обратные клапаны 110 ГРМ 26, камеру сгорания и комбинированное расширительное сопло 24 ТМ 25, сопрягающее отверстие 23 и ТПР 21 в окружающую среду. Избыточные жидкие компоненты в магистралях сжатия перекачиваются через перепускные клапаны (на фиг.1...8 не показаны), причем окислитель и охладитель частично удаляются через жиклеры 102 и жиклеры парогенератора 100 в магистраль расширения. Таким образом, в режиме полного или частичного торможения двигателем кинетическая энергия транспортного средства полностью или частично затрачивается на собственные потребности двигателя через его внутренние потери.In the engine braking mode in the TDVSM, the
Поставленные цели и задачи, решаемые данным изобретением, заключались в повышении к.п.д, ТДВСМ с расширением его функциональных возможностей. Решение изобретения достигнуто введением в ТДВСМ функциональных модулей МС, МР и ТМ с формированием локализованных индивидуальных магистралей сжатия и расширения, выполненных с каскадом разнообразных монтажно-теплообменных отсеков при конструктивных и технологических изменениях усовершенствованных функциональных систем ТД для реализации рабочего цикла ТДВСМ. В ТДВСМ каждый ТМ, разделяющий магистрали сжатия и расширения в МР, обеспечивает внутренний и внешний подвод теплоты. При этом ГРМ ТМ завершает формирование теплообменной камеры сгорания, выполненной с комбинированным расширительным соплом, совмещенным с парогенератором для осуществления бинарного рабочего цикла ТД. Рабочий цикл ТДВСМ реализует одновременно последовательность осуществления термодинамических процессов сжатия, подвода теплоты и расширения, превращает химическую энергию топливной смеси в тепловую энергию, преобразуемую в энергию деформации и кинетическую энергию рабочих тел, частично воплощаемую в кинетическую энергию вращения валов и механическую работу. В рабочем цикле ТДВСМ преобладают вращательные движения и отсутствуют характерные для ДВС возвратно-поступательных перемещения элементов конструкции, оказывающие существенное влияние на работу ТД. Рабочий цикл ТДВСМ, самоприспосабливающийся к изменению внешней нагрузки, отличается в процессе сжатия самоустанавливающимся внутренним смесеобразованием, совмещает процесс внутреннего и внешнего подвода теплоты в ТМ при самонастраивающемся внутреннем тепловыделении и реализует процесс расширения бинарных рабочих тел с более полным превращением в механическую работу. При этом топливные компоненты сжимаются и перегреваются в замкнутых объемах каскада монтажно-теплообменных отсеков индивидуальных магистралей сжатия, утилизируя одновременно тепловые потери двигателя. В ТМ совмещается дополнительный подвод теплоты с процессом сжатия и завершается окончательная подготовка компонентов топливной смеси к внутреннему смесеобразованию в камере сгорания. Формирование топливного заряда в камере сгорания осуществляется ГРМ самостоятельно под собственным давлением компонентов топливной смеси, в том числе с использованием явления фазового перехода первого рода. При этом жидкое топливо в виде газообразного потока, образовавшегося при перегреве в замкнутом объеме, поступает в камеру сгорания и перемешивается с ионизированным сжатым воздухом. Внутреннее смесеобразование и самовоспламенение топливного заряда практически не зависит от нагрузки вала отбора мощности. Самоприспосабливающийся к изменению внешней нагрузки ТДВСМ создает и постоянно пополняет запасы предварительно подготовленных топливных компонентов, поступающих под давлением в камеру сгорания, восстанавливая нарушенный тепловой и механический баланс ТД.The goals and objectives solved by this invention were to increase the efficiency, TDVSM with the expansion of its functionality. The solution of the invention was achieved by introducing the MS, MP, and TM functional modules in the TDVSM with the formation of localized individual compression and expansion lines made with a cascade of various mounting and heat-exchange compartments with structural and technological changes in the improved TD functional systems for implementing the TDVSM operating cycle. In TDVSM, each TM that separates the compression and expansion lines in the MR provides internal and external heat supply. In this case, the timing belt ТМ completes the formation of a heat-exchange combustion chamber made with a combined expansion nozzle combined with a steam generator for the implementation of the binary working cycle of the TD. The TDVSM duty cycle implements simultaneously a sequence of thermodynamic compression, heat supply and expansion processes, converts the chemical energy of the fuel mixture into heat energy, which is converted into deformation energy and kinetic energy of the working fluid, partially embodied in the kinetic energy of shaft rotation and mechanical work. In the TDVSM duty cycle, rotational movements predominate and there are no reciprocating movements of structural elements characteristic of the internal combustion engine that have a significant impact on the operation of the TD. The TDVSM duty cycle, which self-adapts to changes in the external load, differs in the process of compression by self-adjusting internal mixture formation, combines the process of internal and external heat supply in the TM with self-adjusting internal heat generation, and implements the process of expansion of binary working fluids with a more complete transformation into mechanical work. In this case, the fuel components are compressed and overheated in the confined spaces of the cascade of mounting and heat-exchange compartments of the individual compression lines, while simultaneously utilizing the heat losses of the engine. In TM, an additional supply of heat is combined with the compression process and the final preparation of the components of the fuel mixture for internal mixture formation in the combustion chamber is completed. The formation of a fuel charge in the combustion chamber is carried out by the timing independently under the own pressure of the components of the fuel mixture, including using the phenomenon of a first-order phase transition. In this case, liquid fuel in the form of a gaseous stream formed during overheating in a closed volume enters the combustion chamber and mixes with ionized compressed air. Internal mixture formation and self-ignition of the fuel charge is practically independent of the load of the power take-off shaft. Self-adjusting to a change in external load, the TDVSM creates and constantly replenishes the reserves of pre-prepared fuel components that enter the combustion chamber under pressure, restoring the damaged thermal and mechanical balance of the TD.
Совместной и взаимосвязанной работой всех функциональных модулей осуществляется положительное самовыравнивание и обеспечивается устойчивая работа ТДВСМ. При необходимости топливная смесь пересекается основным и дополнительным парообразным потоком окислителя, который, независимо от участия или неучастия в реакциях окисления топлива, способствует увеличению массы топливного заряда и импульса сил расширяющегося и ускоренно истекающего газового потока, одновременно снижая температурные воздействия на элементы конструкции двигателя. Самонастраивающийся цикл внутреннего подвода теплоты в камере сгорания устанавливается плавающим поршнем ГРМ по тепловому и механическому балансу ТД, при этом бинарный рабочий цикл, совмещая термодинамический цикл с паротурбинным циклом, осуществляется сочетанием термодинамического цикла внутреннего подвода теплоты при постоянном давлении или смешанного или при постоянном объеме. Известные силовые энергетические установки ГТУ и ПГУ реализуют бинарный цикл, совмещая обычный газовый термодинамический цикл при постоянном давлении с паротурбинным циклом, но отличаются большими габаритами и разнесенными устройствами процессов расширения. В ТДВСМ применен ТПР, объединяющий механизмы объемных и лопаточных устройств. ТПР реализует процесс расширения рабочих тел в механическую работу, обеспечивает в первую очередь собственные потребности ТД, распределяя и перераспределяя механическую работу на внутреннюю и внешнюю нагрузку. Существенное отличие от любой турбины позволяет ТПР использовать энергию больших давлений рабочих тел в малых герметичных объемах расширения, а затем и малых давлений рабочих тел в больших негерметичных объемах расширения, совмещая термодинамический газовый цикл расширения с паротурбинным циклом. Предложенный способ работы ТДВСМ с пространственно-временным разделением энергетических потоков в узловых точках и подготовкой компонентов топливной смеси к самоустанавливающемуся внутреннему смесеобразованию обеспечивает необходимое формирование топливного заряда и оптимальное превращение его химической энергии в механическую работу. Интенсивное тепловыделение частично компенсируется теплообменными процессами в процессе преобразования тепловой энергии в механическую работу и при сокращении внутренних тепловых и механических потерь повышает к.п.д. и обеспечивает топливную экономичность ТДВСМ, в том числе и при отдельном подключении его функциональных модулей. Модули сжатия обеспечивают дублированное снабжение тепловых модулей компонентами топливной смеси, что повышает надежность и безотказность работы теплового двигателя. Различными вариантами подключения модулей сжатия и (или) их тепловых модулей в тепловом двигателе может выбираться оптимальная мощность для преодоления внешней нагрузки с минимальными топливными затратами.Joint and interconnected work of all functional modules provides positive self-alignment and ensures stable operation of the TDVSM. If necessary, the fuel mixture is crossed by the main and additional vaporous stream of the oxidizing agent, which, regardless of the participation or non-participation in the reactions of fuel oxidation, contributes to an increase in the mass of the fuel charge and the momentum of the forces of the expanding and rapidly expiring gas flow, while reducing the temperature effects on the engine structure. The self-adjusting cycle of internal heat supply in the combustion chamber is set by the floating timing piston according to the thermal and mechanical balance of the TD, while the binary duty cycle, combining the thermodynamic cycle with the steam turbine cycle, is carried out by combining the thermodynamic cycle of the internal heat supply at constant pressure or mixed or at a constant volume. Well-known power plants GTU and CCGT realize a binary cycle, combining a conventional gas thermodynamic cycle at constant pressure with a steam turbine cycle, but differ in large dimensions and spaced apart devices of expansion processes. In TDVSM applied TPR, combining the mechanisms of volumetric and blade devices. TPR implements the process of expanding the working fluid into mechanical work, provides first of all the TD's own needs, distributing and redistributing mechanical work to internal and external loads. A significant difference from any turbine allows the TPR to use the energy of large pressures of the working fluid in small sealed expansion volumes, and then low pressure of the working fluid in large unpressurized expansion volumes, combining the thermodynamic gas expansion cycle with the steam-turbine cycle. The proposed method of operation of the fuel and oil mixture with spatiotemporal separation of energy flows at the nodal points and the preparation of the components of the fuel mixture for self-settling internal mixture formation provides the necessary formation of the fuel charge and the optimal conversion of its chemical energy into mechanical work. Intensive heat release is partially compensated by heat transfer processes in the process of converting heat energy into mechanical work and, while reducing internal heat and mechanical losses, increases the efficiency and provides fuel economy TDVSM, including with a separate connection of its functional modules. Compression modules provide a double supply of thermal modules with components of the fuel mixture, which increases the reliability and reliability of the heat engine. Various options for connecting compression modules and (or) their thermal modules in a heat engine can select the optimum power to overcome the external load with minimal fuel costs.
В ТДВСМ реализованы известные тенденции дальнейшего совершенствования ТД на основе анализа работы ДВС, ГТД, РПД и КДВС. Реализация поставленных задач выполнена при пересмотре работы функциональных систем двигателя в процессе осуществления рабочего цикла согласно рекомендациям технической литературы, используемой при работе над изобретением.The TDVSM implements well-known trends in the further improvement of TD based on the analysis of the operation of ICE, gas turbine engine, RPD and KDVS. The implementation of the tasks was carried out during the review of the functional systems of the engine during the implementation of the working cycle according to the recommendations of the technical literature used when working on the invention.
Источники информацииSources of information
1. Двигатели внутреннего сгорания. Под редакцией проф. А.С.Орлина, Москва, Машиностроение: т.1 Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей 1970; т.2 Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей 1971; т.3 Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей 1972; т.4 Системы поршневых и комбинированных двигателей 1973.1. Internal combustion engines. Edited by prof. A.S. Orlina, Moscow, Engineering: t.1 Design and operation of piston and combined engines 1970; t.2 Theory of working processes of reciprocating and combined engines 1971; t.3 Design and calculation of piston and combined engines 1972; t.4 Systems of piston and combined engines 1973.
2. Теплотехника. Под общей редакцией д.т.н. проф. В.И.Крутова, Москва, Машиностроение, 1986. Стр. 6-72, 79-138, 139-148, 178-211, 220-255, 256-279.2. Heat engineering. Under the general editorship of Doctor of Technical Sciences prof. V.I. Krutova, Moscow, Mechanical Engineering, 1986. Pp. 6-72, 79-138, 139-148, 178-211, 220-255, 256-279.
3. Теплотехника. Под общей редакцией И.Н.Сушкина, Москва, Металлургия, 1973. Стр. 11-258, 331-385, 414-445,3. Heat engineering. Edited by I.N.Sushkina, Moscow, Metallurgy, 1973. pp. 11-258, 331-385, 414-445,
4. Молекулярная физика. Р.В. Телеснин, Москва, Высшая школа, 1973. Стр. 284-304.4. Molecular physics. R.V. Telesnin, Moscow, Higher School, 1973. p. 284-304.
5.* Краткий справочник по физике. А.С.Енохович, Москва, Высшая школа, 1976.5. * A quick reference to physics. A.S. Enokhovich, Moscow, Higher School, 1976.
6.* Справочник по физике. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф, Москва, Наука, 1981.6. * Handbook of physics. B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf, Moscow, Science, 1981.
7. Политехнический словарь, Главный редактор И.И.Артоболевский, Москва, Советская энциклопедия, 1977. Стр. 132, 222, 260, 382, 429, 430, 442, 443, 492 и т.п. (использовался для правильной терминологической формулировки излагаемого в описании изобретения материала).7. Polytechnical Dictionary, Editor-in-Chief I.I. Artobolevsky, Moscow, Soviet Encyclopedia, 1977. Pp. 132, 222, 260, 382, 429, 430, 442, 443, 492, etc. (used for the correct terminological formulation of the material described in the description of the invention).
8. Автомобильные и тракторные двигатели. Под редакцией проф. И.М.Ленина, Москва, Высшая школа, 1976. Стр. 4-6, 9-24, 72-95, 110-117, 118-128, 129-133, 146-150, 150-182, 182-188, 189-197, 197-205,206-212.8. Automotive and tractor engines. Edited by prof. I.M. Lenin, Moscow, Higher School, 1976. p. 4-6, 9-24, 72-95, 110-117, 118-128, 129-133, 146-150, 150-182, 182-188, 189-197, 197-205,206-212.
9. Основы термодинамики и теплопередачи. Фабрикант. Москва. Оборонгиз, 1963.9. Fundamentals of thermodynamics and heat transfer. Manufacturer. Moscow. Oborongiz, 1963.
10. Автомобильные двигатели. Под редакцией д.т.н. М.С.Ховака, Москва, Машиностроение, 1977. Стр. 253-259.10. Car engines. Edited by Doctor of Technical Sciences M.S. Hovak, Moscow, Mechanical Engineering, 1977. Pp. 253-259.
11.* Краткий справочник по химии. Под общей редакцией член-корреспондента АН УССР О.Д.Куриленко, Наукова думка, Киев, 1974.11. * Brief reference on chemistry. Under the general editorship of Corresponding Member of the Academy of Sciences of the Ukrainian SSR O.D. Kurilenko, Naukova Dumka, Kiev, 1974.
* Справочники (5), (6) и (11) применялись для определения физико-технических параметров, физико-химических характеристик различных веществ, значений физических постоянных величин, используемых в технике при выполнении необходимых расчетов. Эти данные использовались для сравнительного анализа при работе над изобретением и показывают реальную возможность осуществления предлагаемого проекта. Значения параметров в описании не приводятся из-за очень большого объема информации и теоретических расчетов.* Reference books (5), (6) and (11) were used to determine the physicotechnical parameters, physicochemical characteristics of various substances, and the values of physical constants used in the technique when performing the necessary calculations. These data were used for comparative analysis when working on the invention and show the real possibility of implementing the proposed project. The values of the parameters in the description are not given due to the very large amount of information and theoretical calculations.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003133066/06A RU2263799C2 (en) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | Method of operation of heat internal combustion engine and device for implementing the method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003133066/06A RU2263799C2 (en) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | Method of operation of heat internal combustion engine and device for implementing the method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003133066A RU2003133066A (en) | 2005-04-27 |
RU2263799C2 true RU2263799C2 (en) | 2005-11-10 |
Family
ID=35635782
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003133066/06A RU2263799C2 (en) | 2003-11-11 | 2003-11-11 | Method of operation of heat internal combustion engine and device for implementing the method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2263799C2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2611543C2 (en) * | 2012-12-03 | 2017-02-28 | Сименс Акциенгезелльшафт | Method and device for fuel supply into gas turbine |
RU2620034C1 (en) * | 2016-06-27 | 2017-05-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Method of vehicle transmission operation |
RU2670343C1 (en) * | 2015-07-02 | 2018-10-22 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Controlling method and control device for internal combustion engine |
RU199020U1 (en) * | 2020-03-24 | 2020-08-07 | Вячеслав Степанович Калекин | PISTON ENGINE |
-
2003
- 2003-11-11 RU RU2003133066/06A patent/RU2263799C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2611543C2 (en) * | 2012-12-03 | 2017-02-28 | Сименс Акциенгезелльшафт | Method and device for fuel supply into gas turbine |
US9909509B2 (en) | 2012-12-03 | 2018-03-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Gas turbine fuel supply method and arrangement |
RU2670343C1 (en) * | 2015-07-02 | 2018-10-22 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Controlling method and control device for internal combustion engine |
RU2620034C1 (en) * | 2016-06-27 | 2017-05-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)" | Method of vehicle transmission operation |
RU199020U1 (en) * | 2020-03-24 | 2020-08-07 | Вячеслав Степанович Калекин | PISTON ENGINE |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003133066A (en) | 2005-04-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3978661A (en) | Parallel-compound dual-fluid heat engine | |
US5839270A (en) | Sliding-blade rotary air-heat engine with isothermal compression of air | |
RU2471082C2 (en) | Operation control system of gas turbine engine, and thermal power plant containing such system | |
US4382771A (en) | Gas and steam generator | |
US7367194B2 (en) | Pulse detonation engine system for driving turbine | |
EP0236344A1 (en) | Shaft power generator | |
US7178324B2 (en) | External combustion engine | |
WO2006024209A1 (en) | An engine of a gas-steam turbine type | |
JP6916816B2 (en) | Combustion chamber device and system including combustion chamber device | |
US5127369A (en) | Engine employing rotating liquid as a piston | |
RU2066777C1 (en) | Engine | |
US2718753A (en) | Improved operation of internal combustion engine operating on liquid petroleum gas fuel | |
RU2263799C2 (en) | Method of operation of heat internal combustion engine and device for implementing the method | |
JP2012255447A (en) | Rotary internal combustion engine | |
CN102072049A (en) | Mixed-combustion working medium generator | |
US8511277B2 (en) | “Turbomotor” rotary machine with volumetric expansion and variants thereof | |
EP3728815B1 (en) | System and method for generating power | |
CN100557213C (en) | Rotary engine | |
RU2663607C1 (en) | Power plant with pulse detonation combustion of fuel | |
US20210003072A1 (en) | Rotary internal combustion engine | |
CN112283746B (en) | Constant-volume combustion chamber and constant-volume combustion gas turbine | |
KR20210145740A (en) | rotary internal combustion engine | |
CN109356718A (en) | With combuster by the simple cycle engine of stepless transmission transmission compressor | |
US3357175A (en) | Method and apparatus for power generation | |
RU2693353C1 (en) | Electric detonation turbine unit and universal combined-cycle plant (embodiments) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20051112 |