RU2373408C2 - Способ работы теплового двигателя и его устройство - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к двигателестроению. Способ работы теплового двигателя включает впуск топливовоздушной смеси или воздуха на первом такте, сжатие и воспламенение на втором такте, сжигание топливовоздушной смеси и плюс впрыск в камеру рабочего хода - основную камеру камеры сгорания воды на третьем такте и вытеснение продуктов сгорания и пара на четвертом такте. Тепловой двигатель имеет герметичные камеры переменного объема, в том числе камеру рабочего хода - основную камеру камеры сгорания и исполнительный элемент, выполняющий роль поршня. Тепловой двигатель имеет также предкамеру камеры сгорания, в которую также производится впрыск воды на третьем такте. Количество впрыскиваемой воды дозируют в зависимости от давления газов в момент впрыска, а также числа оборотов вала двигателя. Впуск топливовоздушной смеси или воздуха дросселируют. Объем сжатой топливовоздушной смеси или воздуха изменяют. Впрыск воды производят после завершения процесса горения основной части топливной смеси. Вытеснение продуктов сгорания и пара производят при их минимальных параметрах давления и температуры, например, давлении 1-5 атмосферы и температуре 100-500 градусов Цельсия. Герметичные камеры двигателя теплоизолируют от внешней среды. Техническим результатом является повышение КПД, снижение вредных выбросов и снижение температуры выхлопа. 2 н. и 13 з.п.ф-лы, 4 ил.

Description

Предлагаемый способ работы теплового двигателя относится к двигателестроению, а именно к способу работы тепловых двигателей.

Известен, например, способ работы теплового двигателя по патенту RU №2244139, имеющего герметичные камеры переменного объема и исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, включающий впуск топливовоздушной смеси или воздуха на первом такте, сжатие и воспламенение на втором такте, сжигание топливовоздушной смеси и плюс впрыск в камеру рабочего хода - камеру сгорания, воды при снижении давления на третьем такте и вытеснение продуктов сгорания и пара на четвертом такте, при этом снижение давления в камере рабочего хода на третьем такте определяют по сигналу, поступающему от аналогового устройства, связанного с цилиндром и форсункой для подачи воды.

Существенным недостатком указанного способа является то, что он не позволяет максимально использовать тепловую энергию топлива, так как впрыск воды осуществляют до завершения горения, и горящая смесь гасится впрыскиваемой водой. Также в указанном прототипе часть тепла сгоревших газов передается внутренним поверхностям стенок камеры сгорания и далее выводится в окружающее пространство, наружу двигателя. Остатки несгоревшего топлива выбрасываются наружу.

Указанные недостатки устраняются в предлагаемом способе работы теплового двигателя.

Технический результат по указанной заявке на изобретение заключается в максимальном использовании тепловой энергии топлива, повышении КПД теплового двигателя и снижении вредных выбросов.

Результат достигается тем, что способ работы теплового двигателя, имеющего герметичные камеры переменного объема, в том числе камеру рабочего хода - основную камеру камеры сгорания и исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, включающий впуск топливовоздушной смеси или воздуха на первом такте, сжатие и воспламенение на втором такте, сжигание топливовоздушной смеси и плюс впрыск в камеру рабочего хода - основную камеру камеры сгорания воды на третьем такте и вытеснение продуктов сгорания и пара на четвертом такте.

В отличие от прототипа, тепловой двигатель имеет также предкамеру камеры сгорания, в которую также производят впрыск воды на третьем такте, при этом количество впрыскиваемой воды дозируют в зависимости от давления газов в момент впрыска, а также числа оборотов вала двигателя, причем дросселируют впуск топливовоздушной смеси или воздуха, при этом изменяют объем сжатой топливовоздушной смеси или воздуха, а впрыск воды производят после завершения процесса горения основной части топливной смеси, и вытеснение продуктов сгорания и пара производят при их минимальных параметрах давления и температуры, например, давлении 1-5 атмосферы и температуре 100-500 градусов Цельсия, при этом герметичные камеры двигателя теплоизолируют от внешней среды.

Впуск топливовоздушной смеси или воздуха производят при дросселировании, то есть уменьшают объем топливовоздушной смеси или воздуха, поступающей в двигатель и, соответственно, изменяют объем сжатой топливовоздушной смеси или воздуха. Изменением объема сжатой топливовоздушной смеси или воздуха достигают оптимальное значение степени сжатия. Например, для бензинового двигателя 9-10 атмосфер, а для дизеля 20-30 атмосфер. Оптимальное значение степени сжатия соответствует каждому конкретному значению числа оборотов двигателя. Уменьшенный объем поступившей в двигатель сжатой топливовоздушной смеси или воздуха позволяет закончить рабочий ход исполнительного элемента, выполняющего роль поршня под действием давления сгоревших газов раньше, чем он достигнет своего крайнего положения в выполняемом такте (температура сгоревших газов «классического» поршневого двигателя достигает своего минимума на начале такта выхлопа, например, для бензинового двигателя, 1000-1400 градусов Цельсия). Во время этого третьего такта, после сгорания основной части топливовоздушной смеси, производят впрыск воды.

Впрыск воды в основную камеру камеры сгорания - камеру рабочего хода, где находятся сгоревшие газы со столь высокой температурой, приводит к ее быстрому (практически мгновенному) испарению и, за счет образованного водяного пара, снова повышению давления в камере рабочего хода - основной камере камеры сгорания, под действием которого подвижный исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, продолжает выполнять полезную работу вплоть до своего крайнего положения (до окончания такта рабочего хода), до достижения наиболее низких термодинамических параметров парогазовой смеси, например, давления 1-5 атмосферы и температуры 100-500 градусов Цельсия.

Практически в процессе впрыска воды и расширения пара тепловой двигатель работает, как паровая машина. Рабочий ход складывается из части рабочего хода за счет расширения сгоревшей топливовоздушной смеси и части рабочего хода за счет водяного пара (при впрыске воды), использующего остаточное тепло сгоревших газов и тепло стенок камеры.

Поскольку в данном способе работы двигателя утечка тепла через стенки рабочих камер является нежелательной, то эта часть тепла сохраняется внутри двигателя путем теплоизоляции стенок рабочих камер и используется для нагрева впрыскиваемой воды. Возможно нанесение теплоизоляции снаружи двигателя. Наиболее эффективно осуществлять теплоизоляцию герметичных камер путем использования принципа сосуда Дюара.

Использование тепла стенок камеры сгорания, где происходит горение топливной смеси, производят путем выравнивания температур внутренних стенок рабочих камер. Выравнивание перепадов температур внутренних поверхностей герметичных рабочих камер возможно производить путем нанесения на их внутреннюю поверхность материала, имеющего наибольший коэффициент теплопроводности, например на основе меди. Из общеизвестных справочных материалов и в технической литературе всегда можно найти материал, имеющий наибольший коэффициент теплопроводности (см. например, Н.И.Кошкин и М.Г.Ширкевич, «Справочник по элементарной физике», изд. Наука, Москва. 1966, стр.83). При этом, используя справочные материалы, уже сейчас можно увидеть, что серебро имеет больший коэффициент теплопроводности, чем медь. Материал на основе меди приведен в качестве примера, так как является более дешевым материалом, чем серебро.

Наиболее эффективно производить выравнивание перепадов температур внутренних поверхностей камер, например, используя принцип «тепловой трубки».

Для наиболее полного использования тепловой энергии сгоревших газов в разных режимах работы двигателя количество впрыскиваемой воды дозировано в зависимости от количества и качества (то есть соотношения количество топлива и воздуха) топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель. Также количество впрыскиваемой воды дозировано в зависимости от температуры газов в камере сгорания в момент впрыска. Производится контроль параметров парогазовой смеси в камере рабочего хода - основной камере камеры сгорания при выхлопе.

Выхлоп отработанной парогазовой смеси проходит последовательно конденсацию в конденсаторе, очистку образованной воды в фильтре и поступление очищенной воды снова в двигатель для впрыска.

Для повторного использования воды выхлоп может производиться в конденсатор, где пар конденсируется в воду, а газ выбрасывается в атмосферу. Далее может производиться очистка воды от примесей в фильтре, и вода снова впрыскивается в двигатель. При этом часть вредных примесей от не полностью сгоревшего топлива (например, частицы дыма) остается в фильтре, и выхлоп данного способа работы теплового двигателя получается более экологически чистым. Фильтр также может улавливать оксиды азота и углерода. Впрыск воды осуществляют после предварительного ее подогрева.

Для увеличения мощности двигателя может осуществляться наддув при впуске свежего заряда, соответственно при этом давление и температура сгоревших газов перед впрыском воды могут быть увеличены, также может быть увеличено и количество впрыскиваемой воды.

Выхлоп должен производиться при достижении наиболее низких термодинамических параметров температуры и давления парогазовой смеси, например, при температуре (100-500) градусов Цельсия и давлении (1-5) атмосферы.

Из технической литературы известно, что в «классическом» (например, бензиновом) поршневом двигателе внутреннего сгорания из 100% энергии топлива полезную работу совершают только (25-30)%.

Механические потери составляют примерно 10% (это трение поршней, инерционные силы возвратно-поступательного движения шатунно-поршневой группы и т.д.). У роторного двигателя многие элементы поршневого двигателя отсутствуют, и поэтому механические потери будут составлять примерно 2%.

В «классическом» поршневом двигателе тепловые потери выхлопа равны примерно 25%. В рассматриваемом двигателе за счет впрыска воды и использования энергии пара тепловые потери снижаются примерно до (4-8)%.

В «классическом» поршневом двигателе тепловые потери через стенки камеры сгорания составляют (35-40)% тепловой энергии. В рассматриваемом двигателе за счет впрыска воды и одновременной теплоизоляции камер тепловые потери через стенки камер снижаются примерно до (5-8)%.

Таким образом, в «классическом» поршневом двигателе общие рассматриваемые потери составляют примерно 10%+25%+40%=75%.

В рассматриваемом предлагаемом способе работы роторного двигателя потери составляют примерно 2%+8%+8%=18%. Все остальное тепло используется для полезной работы, и коэффициент теплового действия предлагаемого теплового двигателя будет составлять примерно (75-82)%.

Технический результат по указанной заявке на изобретение заключается в максимальном использовании тепловой энергии топлива, повышении КПД теплового двигателя примерно до 80% и снижении вредных выбросов. Также техническим результатом будет являться значительное снижение температуры выхлопа, что снизит возможность попадания ракет, оснащенных головкой инфракрасного самонаведения, в военную технику (танки, бронетранспортеры и т.д.), оснащенную двигателями, работающими по предлагаемому способу.

Предлагаемое устройство - тепловой двигатель, относится к двигателестроению.

Известен тепловой роторный двигатель (патент РФ №2271456 от 17.11.2003 г.), содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один выступ, выполняющий роль поршня, подвижные перегородки, камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре переменные внутренние объемы, один из которых является основной камерой, причем предкамера имеет отверстие и размещена в конструкции статора двигателя, а на роторе выполнены канавки, имеющие возможность взаимодействовать с отверстиями предкамеры, внутренней поверхностью статора и переменными объемами статора. Причем одна из перегородок расположена между впускным и выпускным отверстиями, а другая расположена на противоположной стороне.

Однако недостатками данного двигателя являются потери значительной части тепловой энергии при выхлопе еще достаточно горячих выхлопных газов и присутствие в выхлопе вредных, токсичных веществ. Также в данной схеме двигателя часть тепловой энергии не используется, а передается стенкам рабочих камер и выводится наружу.

Указанные недостатки устраняются в предлагаемой схеме теплового двигателя. Технический результат заключается в максимальном использовании тепловой энергии топлива, повышении КПД теплового двигателя и в снижении вредных выбросов.

Результат достигается тем, что в тепловом роторном двигателе, содержащем статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один выступ, выполняющий роль поршня, подвижные перегородки, камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре герметичные камеры переменного объема, одна из которых является основной камерой, причем предкамера имеет отверстие и размещена в конструкции статора двигателя, а на роторе выполнены канавки, имеющие возможность взаимодействовать с отверстиями предкамеры, внутренней поверхностью статора и переменными внутренними объемами.

В отличие от прототипа в предлагаемой конструкции роторного двигателя на впускном отверстии статора размещен дросселирующий клапан, а предкамера выполнена с возможностью изменения объема, и в камере рабочего хода - основной камере камеры сгорания и в предкамере камеры сгорания установлены форсунки для впрыска воды, при этом камера сгорания и другие герметичные камеры статора выполнены с теплоизоляцией.

В предложенном двигателе дросселирующий клапан имеет связь с устройством для изменения объема предкамеры.

Также в предложенном двигателе устройство для впрыска воды имеет связь с устройством для измерения температуры и давления, в камере рабочего хода - основной камере камеры сгорания, с датчиком числа оборотов вала двигателя, дросселирующим клапаном и устройством подачи топливовоздушной смеси.

Предлагаемый двигатель может иметь конденсатор и фильтр для очистки воды.

Возможен вариант выполнения теплоизоляции в целом конструкции двигателя в виде сосуда Дюара. Корпус двигателя может быть выполнен по принципу сосуда Дюара. Также внутренние поверхности герметичных камер покрыты материалом, имеющим наибольший коэффициент теплопроводности, например материалом на основе меди. Возможен вариант выполнения внутренних стенок герметичных камер по принципу «тепловой трубки». Внутренняя часть двигателя может быть выполнена по принципу «тепловой трубки».

Конструктивная схема предлагаемого роторного двигателя иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид двигателя с разрезом по Б-Б фиг.2.

На фиг.2 изображен разрез по А-А фиг.1.

На фиг.3 изображен разрез по В-В фиг.2.

На фиг.4 изображена схема двигателя.

Предлагаемый двигатель (фиг.1, 2, 3, 4) включает в себя статор 1, внутренняя поверхность которого выполнена в виде кругового цилиндра, герметично закрытого с торцов. Снаружи статор покрыт теплоизоляцией 2. Внутренняя поверхность статора покрыта материалом 3, имеющим наибольший коэффициент теплопроводности, например материалом на основе меди. Внутри статора 1 размещен ротор 4, выполненный с профилированной кулачковой поверхностью, например, с двумя выступами 5 и 6, которые играют роль поршней и которые имеют возможность скользить по внутренней цилиндрической поверхности статора 1, образуя герметичное подвижное соединение. Статор выполнен с полостью 7, в которой циркулирует вода. В статоре 1 также выполнены полости, которые являются предкамерами 8 и 9 камеры сгорания (то есть предкамеры 8 и 9 выполнены в конструкции двигателя). В каждой предкамере 8 и 9 имеется отверстие 10. Отверстие 10 служит для впуска свежей порции топливной смеси в предкамеру 8 или 9 и для выпуска горячих газов (продуктов сгорания). Каждая предкамера 8 и 9 оборудована поршнем 11 с приводом 12, запальной свечой 13 и форсункой 14 для впрыска воды (в варианте дизеля запальная свеча заменяется форсункой для впрыска топлива). В стенках статора 1 выполнены два отверстия: впускное 15 и выпускное 16. Впускное отверстие 15 оборудовано дроссельным клапаном 17. Радиально к цилиндрической поверхности статора 1 установлены две подвижные перегородки 18 и 19, которые постоянно контактируют с ротором 4 (в том числе при его вращении) с помощью пружин 20 и образуют с поверхностью ротора 4 подвижное герметичное соединение. Причем перегородка 18 размещена между впускным 15 и выпускным 16 отверстиями. Отверстие 15 - впускное и служит для подвода топливной смеси (или наружного воздуха). Отверстие 16 - выпускное и служит для выпуска отработанных газов (парогазовой смеси). Другая перегородка 19 размещена на противоположной стороне статора. Торцевые поверхности статора 1 и торцевые поверхности ротора 4 образуют также подвижные герметичные соединения. Подвижные перегородки 18 и 19 и выступы 5 и 6 (играющие роль поршней) ротора 4, при его вращении отсекают переменные внутренние объемы статора 1 и образуют переменные объемы камер 21, 22, 23 и 24 (см. фиг.1, 3). Ротор 4 вращается по часовой стрелке при виде на фиг.1.

На торцевых поверхностях ротора 4 выполнены канавки 25 и 26 с одной стороны и 27 и 28 с другой стороны. Указанные канавки взаимодействуют с отверстиями 10 предкамер 8 и 9 и с торцевой поверхностью статора 1 (то есть канавки выполнены в другом конструктивном элементе внутреннего объема двигателя). Канавки 25 и 27 предназначены для впуска сжимаемой смеси (или воздуха) в камере 22 сжатия через отверстия 10 в предкамеры 8 и 9. (Канавка 25 - в предкамеру 8; канавка 27 - в предкамеру 9). Канавки 26 и 28 предназначены для выпуска сгораемых газов через отверстия 10 из предкамер 8 и 9 в камеру 23 рабочего хода. (Канавка 26 - из предкамеры 8; канавка 28 - из предкамеры 9).

В стенке статора 1 размещена форсунка 14 для впрыска воды в основную камеру 23 камеры сгорания (камеру рабочего хода).

В момент положения ротора 4, показанного на фиг.1, камеры переменного объема образованы:

Камера 21 переменного объема - камера впуска - образована подвижной перегородкой 18 и выступом 5 ротора 4 при нахождении выступа справа от перегородки 18.

Камера 22 переменного объема - камера сжатия - образована выступом 5 и подвижной перегородкой 19 при нахождении выступа 5 справа между перегородкой 18 и перегородкой 19.

Камера 23 переменного объема - камера рабочего хода - камера сгорания (основная камера камеры сгорания) - образована подвижной перегородкой 19 и выступом 6 при его нахождении слева от перегородки 19.

Камера 24 переменного объема - камера выхлопа - образована выступом 6 и подвижной перегородкой 18 при нахождении выступа слева от перегородки 18.

Выступы 5 и 6 на роторе 4 могут быть выполнены в виде лопастей, при этом подвижные перегородки 18 и 19 выполняются, например, в виде дисков с возможностью вращения. Диски при этом выполняются с прорезями.

Теплоизоляция 2 герметичных камер наносится на статор 1 двигателя. Теплоизоляция может быть выполнена в виде сосуда Дюара. Также сам статор может быть выполнен в виде сосуда Дюара. Для выравнивания температур внутренних стенок статора на них наносится материал 3 на основе меди.

Для повторного использования впрыскиваемой воды и очистки выхлопных газов двигатель может быть оснащен теплообменником 29, конденсатором 30, фильтром 31 и водяным насосом 32 (фиг.4).

Двигатель оснащен прибором 33, анализирующим сигналы от датчика 34 давления и датчика 35 температуры газов в камере сгорания, датчика 36 числа оборотов вала двигателя, устройством 37 подачи топливовоздушной смеси, и выдает команду на впрыск воды в определенный момент и в определенном количестве. Прибор 33 осуществляет связь дросселирующего клапана 17 и привода 12 поршня 11, установленного в предкамерах 8 и 9. Прибор 33 также анализирует температуру, и давление в камере 23 рабочего хода в момент выхлопа парогазовой смеси. (Устройство 37 подачи топливовоздушной смеси - это или карбюратор, или воздушный канал с заслонкой и форсунка для впрыска топлива).

Двигатель работает следующим образом. (См. фиг.1, 2, 3, 4).

Так как рабочие процессы происходят в данном двигателе во всех камерах 21, 22, 23, 24 переменного объема и предкамерах 8 и 9 одновременно, работу двигателя покажем в каждой камере последовательно, начиная с камеры сжатия - камеры 21. Исходное положение ротора 4 может быть любым; в данном случае, как на фиг.1. Направление вращения ротора 4 - по часовой стрелке при виде на фиг.1. (На фиг.3 в этом случае направление вращения ротора 4 получается против часовой стрелки).

Первый такт. Впуск свежего заряда топливной смеси или воздуха (для камеры 21). При вращении ротора 4 в переменном (увеличивающемся) объеме камеры 21, образуемом подвижной перегородкой 18 и выступом 6 ротора 4, возникает разрежение, и последовательно через устройство 37 подачи топливовоздушной смеси (на фиг.1, 3 не показан), дроссельный клапан 17 и отверстие 15 поступает свежая топливная смесь (или воздух). Камера 21 - это переменный (увеличивающийся) объем (камера впуска). Конец такта впуска для камеры 21 происходит, когда выступ 6 подходит к подвижной перегородке 19. В это время противоположный выступ 6 ротора 4 подходит к подвижной перегородке 18.

(Такой же процесс происходит, когда увеличивающий объем камеры 21 образован подвижной перегородкой 18 и выступом 5. Конец такта впуска для камеры 21 происходит, когда выступ 5 подходит к подвижной перегородке 19).

Второй такт. Сжатие (для камеры 22). При вращении ротора 4 выступ 6 пересекает подвижную перегородку 18, а затем впускное отверстие 15, и, таким образом, поступившая во внутренний объем камеры 21 статора 1 топливная смесь оказывается заперта в ней между выступом 6 (который отсек камеру от впускного отверстия 15) и подвижной перегородкой 19 (этот момент показан на фиг.1, 2). Камера 22 - это переменный (уменьшаемый) объем, образуемый между выступом 6 ротора 4 и подвижной перегородкой 19 (камера сжатия). Камера 22 соединена с канавкой 27, которая взаимодействует с отверстием 10 предкамеры 9, куда и поступает сжимающаяся топливная смесь (или воздух) (фиг.3, 2). В конце такта выступ 6 ротора 4 подходит к подвижной перегородке 19, полностью вытесняя сжатую в камере 22 топливную смесь в канавку 27 и, далее через отверстие 10, в предкамеру 9. Далее отверстие 10 закрывается торцевой частью ротора 4 и, таким образом, сжатая топливная смесь оказывается заперта в предкамере 9.

(Такой же процесс происходит, когда камера 22 - это уменьшаемый объем, образуемый между выступом 5 и подвижной перегородкой 19, но в этом случае сжатая топливная смесь оказывается заперта в предкамере 8).

Третий такт. Рабочий ход - сгорание и расширение сгоревших газов (для камеры 23). Момент, показанный на фиг.1, 2, 3, когда выступ 5 пересек подвижную перегородку 19. При этом образован новый переменный расширяющийся объем между подвижной перегородкой 19 и выступом 5. Это - камера 23, камера рабочего хода. В момент пересечения выступа 5 подвижной перегородки 19 (или чуть раньше) запальной свечей 13, в предкамере 8 воспламеняется топливная смесь. (В варианте дизеля вместо запальной свечи 13 стоит топливная форсунка). Отверстие 10 предкамеры 8 соединяется с канавками 26 и выпускает (из предкамеры 8) в камеру 23 расширяющиеся сгорающие и сгоревшие газы, которые давят на выступ 5 ротора 4, заставляя его поворачиваться и совершать рабочий ход. Так как воспламенение топливной смеси происходит в предкамере 8, а расширяющиеся сгорающие газы проникают в камеру 23 через отверстие 10 и канавки 26, то давление на выступ 6 ротора возрастает плавно, что создает плавный режим работы двигателя. Таким образом, видно, что камера сгорания для данной конструкции состоит из предкамеры 8 и камеры 23 переменного расширяющего объема. То есть камера 23 - это основная камера камеры сгорания - камера рабочего хода. При окончании основной части процесса горения топливовоздушной смеси и при достижении в камере 23 давления и температуры, используемой, например, при выхлопе сгоревших газов традиционных двигателей (для бензинового двигателя 3-4 атм. при температуре 900 град. Цельсия, а для варианта дизеля 5-6 атм. при температуре 1200-1300 град. Цельсия), производится через форсунку 14 впрыск воды в камеру рабочего хода - расширение пара (для камеры 23). Впрыск воды производится также в предкамеру 8 через установленную в ней форсунку 14.

Команда на впрыск воды подается прибором 33, анализирующим сигналы от датчика 34 давления и датчика 35 температуры газов в камере сгорания, датчика 36 числа оборотов вала двигателя, устройства 37 подачи топливовоздушной смеси.

Впрыснутая и распыленная вода мгновенно испаряется, и образованный при этом водяной пар повышает давление в камере 23. Давление воздействует на выступ 5 ротора 4, заставляя его продолжать рабочий ход, используя энергию пара. К моменту выхлопа парогазовой смеси давление падает до, например, 1-5 атмосферы и температуры 100-500 градусов Цельсия (эти параметры также контролируются и анализируются прибором 33). Третий этап заканчивается при подходе выступа 5 ротора 4 к перегородке 18 и открытии отверстия 16 выпуска. С момента впрыска в камеру 23 воды и до момента выхлопа двигатель работает, как паровая машина.

(Такой же процесс происходит, когда подвижную перегородку 19 пересекает выступ 6 ротора 4, но при этом сжатая топливовоздушная смесь или воздух находится в предкамере 9, у которой отверстие 10 взаимодействует с канавкой 28, и истечение сгорающих газов в камеру 23 происходит через отверстие 10 предкамеры 9 и канавки 28).

Четвертый такт. Выпуск отработавших газов (для камеры 24). Момент, показанный на фиг.1, 2, 3, когда выступ 5 пересек подвижную перегородку 19, и объем камеры 24 соединяется с отверстием 16, происходит выхлоп парогазовой смеси. Вытеснение продуктов сгорания и пара производят при их минимальных параметрах, например, давлении 1-5 атмосферы и температуре 100-500 градусов Цельсия. Выступ 5 (выполняющий роль поршня) ротора 4, пройдя перед этим через перегородку 19, начинает принудительно вытеснять оставшуюся в камере парогазовую смесь. То есть камера 24 - это камера уменьшаемого объема, камера выпуска (выхлопа) отработавших газов и пара. В конце такта выступ 5 ротора 4 пересекает подвижную перегородку 18.

(Такой же процесс происходит, когда подвижную перегородку 18 пересекает выступ 5 ротора 4. Выступ 6 (выполняющий роль поршня) ротора 4, пройдя перед этим через перегородку 19, начинает принудительно вытеснять оставшуюся в камере парогазовую смесь. В конце такта выступ 6 ротора 4 пересекает подвижную перегородку 18).

Парогазовая смесь (см. фиг.4), выходящая из выпускного отверстия 16, попадает в теплообменник 29, где охлаждается, предварительно нагревая воду, которая идет в полость 7 статора и далее на впрыск. Из теплообменника 29 парогазовая смесь последовательно попадает в конденсатор 30, фильтр 31, водяной насос 32. Предварительно нагретая вода в теплообменнике 29 и в полости 7 подается на форсунки 14. (Конструктивно теплообменник 29 и конденсатор 30 могут быть выполнены единым агрегатом).

Сконденсированная вода, проходя через фильтр 31, проходит очистку. При этом часть вредных примесей от не полностью сгоревшего топлива (например, частицы дыма) остается в фильтре, и выхлоп данного способа работы теплового двигателя получается более экологически чистым. Фильтр также может улавливать оксиды азота и углерода.

Дроссельный клапан 17, установленный на впускном отверстии 15, уменьшает количество поступающей в камеру 21 впуска топливовоздушной смеси или воздуха с целью обеспечения полноценного расширения сгоревших газов до значений, которые обеспечиваются в традиционном поршневом двигателе (примерные значения указаны выше). При этом прибор 33, анализируя поступающий в него сигнал от дроссельного клапана 17, выдает команду на привода 12 поршней 11, которые изменяют объем предкамер 8 и 9, в которых они находятся. Поршни 11, изменяя объем предкамер 8 и 9, обеспечивают оптимальное значение степени сжатия поступившей в предкамеры 8 и 9 топливовоздушной смеси или воздуха. При этом (в совокупности с дозируемым количеством впрыскиваемого топлива и количеством впрыскиваемой воды) обеспечиваются минимальные значения давления и температуры парогазовой смеси на выхлопе.

Указанная система обеспечивает наилучшие условия для термодинамических процессов двигателя, что позволяет получить от двигателя наивысшую мощность и наилучший КПД.

Для увеличения мощности двигателя может осуществляться наддув при впуске свежего заряда, соответственно при этом давление и температура сгоревших газов перед впрыском воды могут быть увеличены, также может быть увеличено и количество впрыскиваемой воды.

Набор опций в заявленном изобретении позволяет получить в нужный момент большой крутящий момент (при избытке подаваемой в двигатель топливовоздушной смеси и избытке получаемого пара, при впрыске воды).

Возможен вариант двигателя, где предкамера с отверстием размещается внутри ротора (внутри конструкции двигателя), а канавки выполнены на статоре (в другом конструктивном элементе внутреннего объема двигателя).

Из технической литературы известно, что в классическом (традиционном) поршневом двигателе внутреннего сгорания из 100% энергии топлива полезную работу совершают только 25-30%.

Механические потери составляют примерно 10% (это трение поршней и т.д.). У роторного двигателя многие элементы поршневого двигателя отсутствуют, и поэтому механические потери будут составлять примерно 2%.

В классическом поршневом двигателе тепловые потери выхлопа равны примерно 25%. В рассматриваемом двигателе, за счет впрыска воды и использования энергии пара, тепловые потери снижаются примерно до (4-8)%.

В классическом поршневом двигателе тепловые потери через стенки камеры сгорания составляют (35-40)% тепловой энергии. В рассматриваемом двигателе, за счет впрыска воды и одновременной теплоизоляции камер, тепловые потери через стенки камер снижаются примерно до (5-8)%.

Таким образом, в классическом поршневом двигателе общие рассматриваемые потери составляют примерно 10%+25%+40%=75%.

В рассматриваемом предлагаемом роторном двигателе потери составляют примерно 2%+8%+8%=18%. Все остальное тепло используется для полезной работы, и коэффициент теплового действия предлагаемого теплового двигателя будет составлять примерно (75-82)%.

Технический результат заключается в максимальном использовании тепловой энергии топлива в роторном тепловом двигателе, повышении его КПД примерно до 80% и снижении выброса вредных веществ. Также техническим результатом будет являться значительное снижение температуры выхлопа, что снизит возможность попадания ракет, оснащенных головкой инфракрасного самонаведения, в военную технику (танки, бронетранспортеры и т.д.), оснащенную двигателями, выполненными по предлагаемому изобретению.

Claims (15)

1. Способ работы теплового двигателя, имеющего герметичные камеры переменного объема, в том числе камеру рабочего хода - основную камеру камеры сгорания и исполнительный элемент, выполняющий роль поршня, включающий впуск топливовоздушной смеси или воздуха на первом такте, сжатие и воспламенение на втором такте, сжигание топливовоздушной смеси и плюс впрыск в камеру рабочего хода - основную камеру камеры сгорания воды на третьем такте и вытеснение продуктов сгорания и пара на четвертом такте, отличающийся тем, что тепловой двигатель имеет также предкамеру камеры сгорания, в которую также производится впрыск воды на третьем такте, при этом количество впрыскиваемой воды дозируют в зависимости от давления газов в момент впрыска, а также числа оборотов вала двигателя, причем дросселируют впуск топливовоздушной смеси или воздуха, при этом изменяют объем сжатой топливовоздушной смеси или воздуха, а впрыск воды производят после завершения процесса горения основной части топливной смеси, и вытеснение продуктов сгорания и пара производят при их минимальных параметрах давления и температуры, например давлении 1-5 атм и температуре 100-500°C, при этом герметичные камеры двигателя теплоизолируют от внешней среды.

2. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что количество впрыскиваемой воды дозируют в зависимости от количества и соотношения количества топлива и воздуха в топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель.

3. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что количество впрыскиваемой воды дозируют в зависимости от температуры газов в камере сгорания.

4. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что выхлоп отработанной парогазовой смеси проходит последовательно конденсацию в конденсаторе, очистку образованной воды в фильтре и поступление очищенной воды снова в двигатель для впрыска.

5. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что впрыск воды осуществляют после предварительного ее подогрева.

6. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что теплоизоляцию герметичных камер осуществляют способом сосуда Дюара.

7. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что перепады температур внутренних поверхностей камер выравнивают, например, путем покрытия их внутренних поверхностей материалом на основе меди, имеющим наибольший коэффициент теплопроводности.

8. Способ работы двигателя по п.1, отличающийся тем, что перепады температур внутренних поверхностей камер выравнивают способом «тепловой трубки».

9. Тепловой роторный двигатель, содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия, ротор, имеющий, по меньшей мере, один выступ, выполняющий роль поршня, подвижные перегородки, камеру сгорания, состоящую из предкамеры и основной камеры, а также образованные в статоре герметичные камеры переменного объема, одна из которых является основной камерой, причем предкамера расположена в конструкции статора двигателя и имеет отверстие, а на роторе выполнены канавки, имеющие возможность взаимодействовать с отверстием предкамеры, внутренней поверхностью статора и переменными внутренними объемами, отличающийся тем, что на впускном отверстии статора размещен дросселирующий клапан, а предкамера выполнена с возможностью изменения объема, и в камере рабочего хода - основной камере камеры сгорания и предкамере камеры сгорания установлены форсунки для впрыска воды, при этом камера сгорания и другие герметичные камеры статора выполнены с теплоизоляцией.

10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что дросселирующий клапан имеет связь с устройством для изменения объема предкамеры.

11. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что устройство для впрыска воды имеет связь с устройством для измерения температуры и давления в камере рабочего хода - основной камере камеры сгорания, датчиком числа оборотов вала двигателя, дросселирующим клапаном и устройством для подачи топливовоздушной смеси.

12. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что двигатель имеет конденсатор и фильтр для очистки воды.

13. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что корпус двигателя выполнен по принципу сосуда Дюара.

14. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что внутренние поверхности камер покрыты материалом, имеющим наибольший коэффициент теплопроводности, например материалом на основе меди.

15. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что внутренняя часть двигателя выполнена по принципу «тепловой трубки».

Images