Тепловой двигатель

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: устройство содержит две емкости, частично заполненные жидкостью, а частично газом. К той части первой емкости, которая заполнена жидкостью, подключен гидравлический двигатель, выход из которого подключен ко второй емкости. К той части второй емкости, которая заполнена газом, подключены входной и выходной каналы с установленными на их входе клапанами. Имеется по меньшей мере одна камера сгорания, которая периодически и поочередно при помощи клапанов может изолироваться как от той части первой емкости, которая заполнена газом, так и от той части второй емкости, которая заполнена газом. Имеется также золотник с по меньшей мере одной камерой, образованной внешней поверхностью золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник концентрически установлен. Золотник может совершать вращательное движение вокруг своей оси. Камера золотника периодически и поочередно может сообщаться как с той частью первой емкости, которая заполнена газом, так и с той частью второй емкости, которая заполнена жидкостью. Первая емкость служит для расширения продуктов сгорания, а вторая емкость - для сжатия новой порции воздуха. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение имеет отношение к тепловым двигателям внутреннего и внешнего сгорания, служащих для преобразования тепловой энергии в механическую энергию. Оно может быть использовано в качестве энергетической установки в стационарной энергетике, на любом транспортном средстве, в других отраслях техники.

В настоящее время самым распространенным двигателем внутреннего сгорания (ДВС) является ДВС с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) преобразования возвратно-поступательно движущегося поршня во вращательное движение вала.

Недостатки данного ДВС невысокое значение ресурса поршневой группы, неуравновешенные инерционные нагрузки и связанная с этим вибрация двигателя, большой удельный вес двигателя (вес двигателя, отнесенный к развиваемой им мощности).

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля имеет меньший удельный вес, по сравнению с ДВС с КШМ. Однако из-за трудностей, связанных с уплотнением поршня-ротора, данный тип ДВС имеет больший удельный расход топлива, меньший ресурс, и в настоящее время не производится в широких масштабах промышленностью.

Известен ДВС с гидравлической передачей [1] содержащий по меньшей мере один блок спаренных цилиндров, в которых размещены поршни. Подпоршневые пространства обоих поршней соединены между собой при помощи кольцевых гидроканалов с обратными клапанами. В кольцевых гидроканалах установлен гидравлический двигатель (ГД). Данный ДВС снабжен органами газораспределения и топливоподачи, подключенными при помощи сервоприводов к блоку управления. Таким образом, в данном ДВС возвратно-поступательное движение поршней при помощи гидравлической передачи и ГД преобразуется во вращательное движение вала.

Недостатки данного ДВС сложность конструкции как таковая (из-за наличия, как минимум двух поршней: обратных клапанов и гидроканалов), сложная система управления и регулирования рабочего процесса двигателя.

Наиболее близким, по технической сущности, к заявляемому тепловому двигателю является техническое решение, указанное в [2, с.10] Оно представляет собой способ подачи топливного компонента ракетного двигателя из бака в камеру сгорания ракетного двигателя. Данный способ подачи заключается с том, что баллон с газом при помощи трубопровода подключен к топливному баку. В нужный момент газ из баллона поступает в топливный бак и своим давлением вытесняет топливо из бака в камеру сгорания ракетного двигателя.

Недостаток данного технического решения в таком конструктивном исполнении оно не может быть использовано в качестве двигателя внешнего или внутреннего сгорания.

Задачей изобретения является такое конструктивное исполнение прототипа, при котором он может быть использован в качестве теплового двигателя внешнего и внутреннего сгорания.

Очевидно, если такая задача может быть решена, то это "неочевидное" решение для сведущего в тепловых двигателях специалиста, поскольку в прототипе она не решена.

Заявляемый тепловой двигатель в варианте ДВС имеет общие с прототипом существенные признаки, такие как первая емкость, частично заполненная жидкостью, а частично газом.

Отличительными существенными признаками являются следующие. К той части первой емкости, которая заполнена жидкостью, подключен ГД (то есть ГД находится ниже уровня поверхности жидкости в первой емкости, а поверхность жидкости образована за счет действия на жидкость гравитационной силы (силы тяжести)). Выход из ГД подключен ко второй емкости, частично заполненной той же жидкостью, что и первая емкость, а частично газом. К той части второй емкости, которая заполнена газом, подключены входной и выходной каналы, на входе в которые установлены клапаны. Имеется золотник, с по меньшей мере одной камерой, образованной внешней поверхностью золотника и внутренней поверхностью золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник концентрически установлен. Золотник может совершать вращение вокруг своей оси. При этом камера золотника, периодически и поочередно, может сообщатся как с той частью первой емкости, которая заполнена газом, так и с той частью второй емкости: которая заполнена жидкостью. Имеется также по меньшей мере одна камера сгорания, периодически и поочередно сообщаемая (при помощи клапана) как с той частью первой емкости, которая заполнена газом, так и с той частью второй емкости, которая заполнена газом.

При сообщении камеры сгорания с первой емкостью (от второй емкости она при помощи клапана изолирована) газы (продукты сгорания) из нее поступают в первую емкость, воздействуют на поверхность жидкости, находящейся в данной емкости, и вытесняют ее через ГД во вторую емкость. ГД при этом вырабатывает механическую энергию. Давление газа в данный момент времени в первой емкости выше, чем во второй емкости. Таким образом, первая емкость служит для расширения продуктов сгорания, поступающих в нее из камеры сгорания.

При помощи камеры золотника из первой емкости во вторую емкость периодически поступает определенный объем отработавших продуктов сгорания, которые поднимаются на поверхность жидкости во второй емкости, и далее через выходной канал удаляются, например, в атмосферу. Из второй емкости в первую емкость камера золотника периодически переносит определенный объем жидкости.

Таким образом, из первой емкости, через ГД, во вторую емкость непрерывно поступает жидкость. Из второй емкости, при помощи камеры золотника, в первую емкость периодически поступает определенный объем жидкости. Однако расходы жидкостей из первой емкости во вторую емкость и наоборот (в единицу времени) равны между собой. Это приводит к периодическим колебаниям уровня поверхности жидкости в первой и второй емкостях (то есть, объем занимаемый газом в этих емкостях, периодически изменяется).

Данное периодическое изменение уровня поверхности жидкости во второй емкости используется в заявляемом тепловом двигателе для протекания периодических процессов сжатия новой порции воздуха, который поступает в нее через входной канал (при понижении уровня поверхности жидкости во второй емкости). Сжатый воздух затем поступает из второй емкости в камеру сгорания, после чего камера сгорания изолируется от второй емкости (при помощи клапана). В данный момент времени камера сгорания также изолирована (при помощи клапана) от первой емкости. В камеру сгорания при помощи форсунки впрыскивается топливо, и с этого момента в ней идет процесс сгорания топлива. После его окончания камера сгорания сообщается с первой емкостью (при этом она при помощи клапана изолирована от второй емкости), и в дальнейшем все периодически повторяется. Таким образом, вторая емкость служит для периодического сжатия новой порции воздуха.

Так работает заявляемый тепловой двигатель в варианте дизельного ДВС.

Однако заявляемый тепловой двигатель может работать и в варианте ДВС с принудительным зажиганием (от свечи зажигания). В этом варианте исполнения во вторую емкость из входного канала будет поступать уже готовая теплововоздушная смесь, которая затем в камере сгорания восп- ламеняется от свечи зажигания (или же топливо впрыскивается непосредс- твенно в камеру сгорания, и затем образовавшаяся топливовоздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания).

Заявляемый тепловой двигатель может также работать в варианте двигателя внешнего сгорания. При этом поступающий при помощи камеры золотника из первой емкости во вторую емкость газ вновь будет сжиматься во второй емкости (при этом возможна регенерация тепловой энергии), и поступает затем в каме- ру-теплообменник, после чего она изолируется, например, при помощи клапана, от второй емкости. В камере-теплообменнике к сжатому газу подводится любым возможным образом (теплопроводностью, излучением и др.) тепловая энергия. В данный момент камера-теплообменник также изо- лирована при помощи клапана и от первой емкости. В дальнейшем каме- ра-теплообменник сообщается с первой емкостью. В дальнейшем работа двигателя аналогична работе в варианте ДВC. Таким образом, в варианте двигателя внешнего сгорания заявляемый тепловой двигатель будет иметь замкнутый рабочий цикл (однако может иметь и разомкнутый рабочий цикл).

В качестве ГД в заявляемом тепловом двигателе может быть использован абсолютно любой его тип (аксиально-поршневой, радиаль- но-поршневой, роторно-пластинчатый, шестеренчатый, турбина и др.) Золотник в заявляемом тепловом двигателе может иметь любую приемлемую форму, может совершать любое периодически повторяющееся движение (вращательное, возвратно-поступательное и др.) и может иметь одну и более камеры. При этом камера золотника может быть образована и/или внешней поверхностью золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник установлен, или только внутренней поверхностью золотника, или любым иным приемлемым способом. Камера также может быть образована и неподвижными стенками. При этом для ее периодической и поочередной изоляции как от первой, так и от второй емкостей применены клапаны.

Клапаны в заявляемом решении, служащие для изоляции камеры сгорания от первой и второй емкостей, для изоляции второй емкости от входного и выходного каналов, могут быть любого типа (тарельчатыми, как показано на фиг.1-5, золотникового типа и др.).

Таким образом, принятое конструктивное исполнение заявляемого теплового двигателя (в варианте дизельного ДВС) позволяет ему иметь, по мнению автора, следующие преимущества (по сравнению с существующими дизельными ДВС): 1) большую степень сжатия, следовательно, более высокий термический коэффициент полезного действия (КПД), а следовательно, меньший удельный расход топлива (при прочих равных условиях); 2) больший ресурс; 3) меньший удельный вес.

На фиг. 1-5 схематично показан заявляемый тепловой двигатель в варианте дизельного ДВС. Цифрами на фигурах обозначено (обозначения идентичны для всех фигур): 1 первая емкость, служащая для протекания периодических процессов расширения газа; 2 жидкость в первой емкости 1; 3 вторая емкость, служащая для протекания периодических процессов сжатия газа; 4 жидкость во второй емкости 3; 5 ГД; 6 трубопровод; 7 золотник; 8 цилиндрический корпус; 9 и 10 камеры, образованные внешней поверхностью золотника 7 и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса 8, в котором золотник 7 концентрически установлен; 11 перегородка; 12 канал; 13 камера сгорания; 14 клапан, служащий для периодической изоляции камеры сгорания 13 от второй емкости 3; 15 клапан, служащий для периодической изоляции камеры сгорания 13 от первой емкости 1; 16 входной канал; 17 клапан, служащий для периодической изоляции входного канала 16 от второй емкости 3; 18 выходной канал; 19 - клапан, служащий для периодической изоляции выходного канала 18 от второй емкости 3; 20 топливная форсунка; ω угловая скорость золотника 7.

На фиг. 1 показан момент работы заявляемого теплового двигателя, когда камера 9, заполненная газом, и камера 10, заполненная жидкостью, изолированы как от первой 1 так и от второй 3 емкостей. Камера сгорания 13 сообщена с первой емкостью 1, и в ней идет процесс расширения газа. Вторая емкость 3 изолирована от входного 16 и выходного 18 каналов.

На фиг. 2 показан момент работы, когда камера 9, заполненная газом, сообщена со второй емкостью 3. При этом камера 9 изолирована от первой емкости 1. Камера 10, заполненная жидкостью, сообщена с первой емкостью 1 и изолирована от второй емкости 3. Камера сгорания 13 сообщена с первой емкостью 1, и в ней продолжается процесс расширения газа. Вторая емкость 3 сообщена с входным 16 и выходным 18 каналами, и в ней идет процесс выпуска отработавших газов и впуска новой порции воздуха.

На фиг. 3 показан момент работы, когда камера 9 сообщена со второй емкостью 3 и заполнена жидкостью, изолирована от первой емкости 1. Камера 10 сообщена с первой емкостью 1 и заполнена частично жидкостью, а частично газом. Камера сгорания 13 сообщена с первой емкостью 1, и в ней продолжается процесс расширения газа. Во второй емкости 3 закончился процесс выпуска газа, и она изолирована от входного 16 и выходного 18 каналов.

На фиг. 4 показан момент работы, отличающийся от того, что показан на фиг. 3 тем, что камера сгорания 13 изолирована от первой емкости 1 и сообщена со второй емкостью 3. Во второй емкости 3 идет процесс сжатия газа.

На фиг. 5 показан момент работы, отличающийся от того, что показан на фиг. 4 тем, что камера сгорания 13 изолирована от первой емкости 1, так и от второй емкости 3. Во второй емкости 3 закончился процесс сжатия газа.

Заявляемый тепловой двигатель в варианте дизельного ДВC представляет из себя следующее. Имеется первая емкость 1 (фиг. 1-5), частично заполненная жидкостью 2, а частично газом. К той части первой емкости 1, которая заполнена жидкостью 2, подключен ГД 5 (то есть, ГД 5 находится на уровне ниже, чем уровень поверхности жидкости 2 в первой емкости 1). К выходу из ГД 5 подключен трубопровод 6, другой конец которого подключен ко второй емкости 3 (к любой ее части). Вторая емкость 3 частично заполнена жидкостью 4, а частично газом. Однако трубопровода 6 может и не быть, а выход из ГД 5 подключен при этом непосредственно ко второй емкости 3. Поверхность жидкости 4 во второй емкости 3 находится на более высоком уровне, чем поверхность жидкости 2 в первой емкости 1 (в более общем случае расположение поверхностей в первой 1 и второй 3 емкостях может быть произвольным друг относительно друга).

К той части второй емкости 3, которая заполнена газом, подключены входной 16 и выходной 18 каналы, с установленными на входе в них клапанами 17 и 19, соответственно. Во второй емкости 3 имеется перегородка 11, делящая часть данной емкости, заполненную газом, на две герметичные (изолированы друг от друга) области (область впуска и область выпуска). Перегородка 11 частично погружена в жидкость 4. Однако обе части второй емкости 3, заполненные жидкостью 4, соединены между собой при помощи канала 12.

Имеется золотник 7, концентрически установленный в цилиндрическом корпусе 8. Золотник 7 выполнен вращающимся вокруг своей оси. Внешняя поверхность золотника 7 и внутренняя поверхность цилиндрического корпуса 8 образуют две камеры 9 и 10, изолированные друг от друга.

Имеется также камера сгорания 13 с клапанами 14 и 15, периодически изолирующими ее от второй 3 и первой 1 емкостей, соответственно. В камере сгорания 13 установлена топливная форсунка 20.

Заявляемый тепловой двигатель в варианте дизельного ДВС работает следующим образом. Клапан 15 (фиг.1) открыт, и камера сгорания 13 сообщена с первой емкостью 1. Клапан 14 закрыт, а следовательно, камера сгорания 13 изолирована от второй емкость 3. Продукты сгорания из камеры сгорания 13 поступают в первую емкость 1, воздействуют на поверхность жидкость 2, которая в свою очередь воздействует на рабочий орган ГД 5. Таким образом, ГД 5 вырабатывает механическую энергию, которая передается потребителю (на фиг.1 не показан). Жидкость 2 из первой емкость 1 выше, через ГД 5 и трубопровод 6, поступает во вторую емкость 3. В данный момент времени давление газа в первой емкость 1 выше, чем давление газа во второй емкость 3. Жидкость 2 в первой емкости 1 и жидкость 4 во второй емкости 3 это одна и та же жидкость. Золотник 7 в данный момент времени установлен таким образом в цилиндрическом корпусе 8, что его камеры 9 и 10, заполненные газом (отработавшими продуктами сгорания) и жидкостью, соответственно, изолированы как от первой емкости 1, так и от второй емкости 3. Клапаны 17 и 19 закрыты, а следовательно, вторая емкость 3 изолирована и от входного канала 16 и от выходного канала 18.

В следующий момент времени золотник 7 (фиг.2) поворачивается вокруг своей оси таким образом, что его камера 9, заполненная газом (отработавшими продуктами сгорания), сообщается со второй емкостью 3. При этом камера 9 изолирована от первой емкости 1, что обеспечивается соответствующей формой золотника 7. Одновременно с этим камера 10, заполненная жидкостью, сообщается с первой емкостью 1, а от второй емкости 3 она в данный момент времени изолирована. Клапан 15 открыт, и продукты сгорания из камеры сгорания 13 продолжают поступать в первую емкость 1, а следовательно, продолжается вытеснение жидкость 2, через ГД 5 и трубопровод 6, во вторую емкость 3, а следовательно, продолжается выработка ГД 5 механической энергии. Жидкость из камеры 10, за счет действия на жидкость гравитационной силы (силы тяжести), поступает в первую емкость 1. Газ (отработавшие продукты сгорания) из камеры 9, за счет действия на него архимедовой силы (так как он имеет меньшую плотность, чем жидкость 4 во второй емкости 3) поднимается на поверхность жидкости 4. Одновременно с этим жидкость 4 из второй емкости 3 поступает в камеру 9. При этом уровень поверхности жидкости 4 во второй емкости 3 начинает понижаться. В данный момент времени открываются впускной 17 и выпускной 19 клапаны. Новая порция воздуха из атмосферы через входной канал 16 поступает во вторую емкость 3, а отработавшие продукты сгорания через выходной канал 18 удаляются из второй емкости 3, например, в атмосферу. При этом перегородка 11 препятствует попаданию отработавших продуктов сгорания в ту часть второй емкости 3, к которой подключен входной канал 16 (так как перегородка 11 частично погружена в жидкость 4 и делит ту часть второй емкости 3, которая заполнена газом, на две герметичные (изолированные друг от друга) части). Однако части второй емкости 3, заполненные жидкостью 4, соединены между собой при помощи канала 12, что необходимо для того, чтобы жидкость 4 поступала из той части второй емкости 3, к которой подключен входной канал 16, в камеру 9 (для того, чтобы происходило колебание уровня поверхности жидкости 4 в данной части второй емкости 3). Когда обе камеры и 9, и 10 изолированы от второй емкости 3, то по каналу 12 жидкость поступает в ту часть второй емкости 3, к которой подключен входной канал 16 (так как жидкость непрерывно нагнетается из первой емкости 1, через ГД 5 и трубопровод 6, во вторую емкость 3).

В следующий момент времени золотник (фиг.3) продолжает поворачиваться вокруг своей оси. Из камеры 9 полностью удалились отработавшие продукты сгорания, и она полностью заполнена жидкостью 4. При этом уровень поверхности жидкости 4 во второй емкости 3 закончил понижаться, и клапаны 17 и 19 закрываются. С этого момента во второй емкости 3 начинается повышение уровня поверхности жидкости 4, а следовательно, начинается процесс сжатия новой порции воздуха, поступившего в нее. Клапан 15 открыт, и в первую емкость 1 продолжают поступать продукты сгорания из камеры сгорания 13. Следовательно, продолжается выработка ГД 5 механической энергии. Жидкость 2 из первой емкости 1, через ГД 5 и трубопровод 6, продолжает поступать во вторую емкость 3. Жидкость из камеры 10 продолжает поступать в первую емкость 1.

В следующий момент времени золотник 7 (фиг.4) продолжает поворачиваться вокруг своей оси. В данный момент времени камера 9 заполнена жидкостью, сообщена со второй емкостью 3 и изолирована от первой емкости 1. Камера 10 заполнена отработавшими продуктами сгорания, сообщена с первой емкостью 1 и изолирована от второй емкости 3. Клапаны 17 и 19 закрыты. Клапан 14 открыт, и сжатый воздух из второй емкости 3 поступает в камеру сгорания 13. При этом до открытия клапана 14 клапан 15 закрывается, и камера сгорания 13 изолируется от первой емкости 1. Ротор ГД 5, например, аксиально-поршневого, продолжает вращаться по инерции (за счет механической энергии, запасенной маховиком (на фиг.1-5 не показан) при расширении продуктов сгорания). Следовательно, жидкость 2 из первой емкости 1, через ГД 5 и трубопровод 6, продолжает поступать во вторую емкость 3, тем самым вытесняя порцию сжатого воздуха из второй емкости 3 в камеру сгорания 13. То есть в данный момент времени ГД 5 работает в насосном режиме.

В следующий момент времени золотник 7 (фиг.5) продолжает вращение вокруг своей оси. При этом его камера 9 заполнена жидкостью 4 и изолирована от первой емкости 1, а камера 10 заполнена отработавшими продуктами сгорания и изолирована от второй емкости 3. Клапаны 17 и 19 закрыты. Клапаны 14 и 15 закрыты, а следовательно, камера сгорания 13 изолирована и от первой емкости 1, и от второй емкости 3. В данный момент времени в камеру сгорания 13, в которой находится новая порция сжатого воздуха, при помощи топливной форсунки 20 впрыскивается порция топлива. Начиная с этого момента, в камере сгорания 13 начался процесс сгорания топлива. Ротор ГД 5 продолжает вращаться по инерции. После окончания процесса сгорания топлива клапан 15 открывается, и камера сгорания 13 сообщается с первой емкость 1. В дальнейшем все периодически повторяется.

Таким образом, из первой емкости 1, через ГД 5 и трубопровод 6, во вторую емкость 3 непрерывно поступает определенный объем жидкости. Из второй емкости 3, при помощи камер 9 и 10, в первую емкость 1 периодически (порциями) поступает определенный объем жидкости. Это приводит к колебанию уровня поверхности жидкости в обеих емкостях (то есть объем, занимаемый газом в этих емкостях, периодически изменяется), что и используется для протекания периодических процессов впуска и сжатия воздуха во второй емкости 3. Однако, если брать промежуток времени, больший чем время между двумя поступлениями жидкости из второй емкости 3 (при помощи камер 9 и 10) в первую емкость, то расходы жидкости из первой емкости 1 и в первую емкость 1 будут равны между собой.

В заявляемом тепловом двигателе в качестве ГД 5 может быть использован абсолютно любой его тип (аксиально-поршневой, шестеренчатый, турбина и др.).

Современные ДВС имеют следующие удельные веса: газотурбинные двигатели - 0,34-0,47 килограмм на киловатт (кг/квт); высокооборотные дизели 2,0-3,6 кг/квт; среднеоборотные дизели 6,1-10,8 кг/квт; карбюраторные ДВС 1,2-1,5 кг/квт [3, с.103] Удельный вес авиационных аксиально-поршневых гидродвигателей составляет 0,32-0,37 кг/квт [4, с.9] В заявляемом тепловом двигателе в варианте дизельного ДВС основным нагруженным элементом является ГД 5, а следовательно, он будет составлять большую часть от общего веса всего теплового двигателя. Если даже предположить, что все остальные детали заявляемого теплового двигателя составят 60% от общего веса двигателя, то и тогда удельный вес заявляемого теплового двигателя составит ≈1 кг/квт, что меньше, чем у карбюраторного ДВС, имеющего минимальный удельный вес. Заявляемый тепловой двигатель в дизельном варианте будет иметь в 2-10 раз меньший удельный вес, чем существующие дизельные ДВС.

Современные автомобильные ДВС (газотурбинные двигатели, дизельные и карбюраторные) имеют ресурс 8000-10000 часов [5, с.4] Ресурс радиально-поршневых гидромоторов составляет 20000-40000 часов [6, с.140] Таким образом, заявляемый тепловой двигатель будет иметь в 2,5-4 раза больший ресурс, чем существующие ДВС (так как его ресурс будет определяться ресурсом ГД 5).

При увеличении степени сжатия у дизельных ДВС улучшаются индикаторные и эффективные показатели рабочего процесса. Пределом является прогрессивное отрицательное воздействие уменьшающегося при этом объема камеры сгорания на смесеобразование и горение, а также резкое возрастание максимального давления сгорания [7, с.

Здесь имеется в виде уменьшение высоты камеры сгорания. Например, при увеличении высоты камеры сгорания (что достигается увеличением отношения длины хода поршня к диаметру цилиндра) улучшается процесс сгорания топлива [8, с.15] Однако в существующих ДВС с КШМ этого невозможно достичь, так как увеличиваются боковые нагрузки на поршень и гильзу цилиндру и снижается ресурс поршневой группы двигателя.

В заявляемом тепловом двигателе в варианте дизельного ДВС камера сгорания 13 выполнена в качестве отдельной детали, и ее форму можно выполнить оптимальной с точки трения процесса сгорания топлива. Данный двигатель, в принципе, не имеет ограничений по степени сжатия: так как резкое увеличение максимального давления сгорания в камере сгорания не приводит к ударному нагружению движущихся деталей двигателя, а продукты сгорания из камеры сгорания в камеру расширения (в первую емкость) можно выпускать постепенно, что можно обеспечить выбором соответствующего закона открытия клапана, изолирующего камеру сгорания от камеры расширения. Следовательно, заявляемый тепловой двигатель в варианте дизельного ДВС будет иметь меньший удельный расход топлива (из-за более высокой степени сжатия), чем существующие дизельные ДВС.

В заявляемом тепловом двигателе при сжатии газа во второй емкости 3 можно обеспечить такие условия, что при любой степени сжатия температура газа в конце процесса сжатия (и в самом процессе сжатия) не превысит заданного значения, определяемого для ДВС, например, условиями надежного воспламенения топлива. Это, например, можно обеспечить тем, что жидкость, поступающая из первой емкости 1 во вторую емкость 3, будет распылятся в той части второй емкости 3, которая заполнена сжимаемым газом. Это будет способствовать охлаждению сжимаемого газа и приближению процесса сжатия к изотермическому. Это будет способствовать уменьшению работы сжатия двигателя. Однако работа расширения при этом останется на прежнем уровне, а следовательно, увеличится полезная работа, производимая данным тепловым двигателем. Все это способствует (при прочих равных условиях) уменьшению удельного расхода топлива.

В заявляемом тепловом двигателе возможна регенерация тепловой энергии, отбираемой от отработавших газов.

Заявляемый тепловой двигатель может иметь более чем одну камеру сгорания (камеру-теплообменник в варианте двигателя внешнего сгорания), работающих поочередно (последовательно). Это, например, в варианте ДВС приводит к тому, что сжимается в данном рабочем цикле одна порция воздуха, а расширяться затем будет порция воздуха, сжимаемая в предыдущем рабочем цикле. Это способствует увеличению времени, отводимого на процесс сгорания топлива, а следовательно, способствует более полному сгорания топлива, а следовательно, уменьшает удельный расход топлива заявляемым двигателем.

Камера сгорания 13 (камера-теплообменник в варианте двигателя внешнего сгорания) может быть образована из неподвижных стенок (как показано на фиг. 1-5), или любым иным приемлемым образом, например, так же, как камеры 9 и 10 золотника 7.

Золотник 7 в заявляемом тепловом двигателе может иметь любую приемлемую форму и может совершать любое периодически повторяющееся движение (вращательное, возвратно-поступательное и др.). Камера 9 (и 10) (которых может быть одна и более) может быть образована и/или внешней поверхностью золотника 7 и внутренней поверхностью корпуса 8, или только поверхностью золотника 7 или любым иным приемлемым образом. Однако камеры 9 и 10 могут быть образованы и неподвижными стенками, а периодическая и поочередная их изоляция от емкостей 1 и 3 может осуществляется при помощи клапана. То есть в этом случае камеры 9 и 10 будут аналогичны по устройству камере сгорания 13.

На фиг. 1-5 показано, что при вытеснении сжатого газа из второй емкости 3 в камеру сгорания 13 (после изоляции камеры сгорания 13 от второй емкости 3) во второй емкости 3 еще остается пространство, занятое сжатым газом. Однако возможен вариант исполнения заявляемого теплового двигателя, когда весь сжатый газ из второй емкости поступает в камеру сгорания (камеру-теплообменник в варианте двигателя внешнего сгорания).

В заявляемом тепловом двигателе частота рабочих циклов (то есть, количество тактов сжатия и расширения в единицу времени) и частота вращения вала гидравлического двигателя могут иметь любое отношение друг относительно друга (равны друг другу или нет).

Концентрическое расположение золотника в корпусе и его форма обеспечивают то, что равнодействующая от сил давления газа и жидкости, действующая на золотник, проходит через ось вращения золотника. Следовательно, давление газа и жидкости не создает крутящего момента относительно оси вращения золотника (оно не препятствует вращению золотника). К золотнику нужно будет прикладывать мощность, обусловленную потерями на трение в местах контакта золотника с корпусам, в котором золотник установлен, и обусловленную инерционной массой жидкости и газа, что не составит значительной величины от мощности, вырабатываемой заявляемым тепловым двигателем.

Требуемое положение жидкостей и газов в емкостях может быть обеспечено гравитационной силой, центробежной силой, иным приемлемым образом. При этом во втором случае тепловой двигатель должен быть выполнен вращающимся вокруг некоторой оси.

Расходы жидкости из первой емкости во вторую емкость и наоборот могут быть как равны между собой, так и не равны между собой. При этом во втором случае недостающая жидкость в ту или иную емкость должна поступать из другого источника.

Уплотнение зазоров между поверхностью золотника и корпуса, в котором золотник установлен, может быть выполнено как контактным (при помощи пластин и др.), так и безконтактным (лабиринтным и др.).

Перемещения золотника и вала гидравлического двигателя могут быть согласованы любым возможным образом (при помощи механической передачи и др.).

Камера сгорания в заявляемом тепловом двигателе может сообщатся как с той частью первой емкости, которая заполнена газом, мак и с той частью первой емкости, которая заполнена жидкостью. Однако при окончании процесса расширения та часть первой емкости, к которой подключена камера сгорания, должна быть заполнена газом (чтобы газ из камеры сгорания мог поступать в камеру золотника).

Деление первой и второй емкостей на части, заполненные жидкостью и газом, справедливо для определенных моментов работы заявляемого теплового двигателя, так как в другие моменты времени емкости могут быть полностью заполнены жидкостью.

Возможет вариант исполнения заявляемого теплового двигателя, когда газ из первой емкости поступает в регенератор, где отдает теплоту промежуточному теплоносителю, который в свою очередь отдает ее газу в камере сгорания (или в камере-теплообменнике).

В качестве жидкостей, находящихся в первой и второй емкостях, может быть использована абсолютно любая жидкость (вода и др.). При этом на место испарившейся жидкости (в процессе работы заявляемого теплового двигателя) в емкости должна поступать новая порция жидкости.

В варианте двигателя внутреннего сгорания заявляемый тепловой двигатель может работать как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу.

Для более быстрого удаления продуктов сгорания (отработавшего газа) из камеры золотника (при ее сообщении со второй емкостью) трубопровод (выход из гидравлического двигателя) может быть подключен к той части второй емкости, в которой установлен золотник. В этом случае движущаяся из трубопровода жидкость будет способствовать более быстрому освобождению камеры золотника от отработавших газов и более быстрому наполнению ее жидкостью.

На поверхностях жидкостей в обеих емкостях могут быть установлены поршни, выполненные из твердого тела, что уменьшит теплопоток к жидкости, а следовательно, уменьшит количество испаряемой жидкости. При этом поршень в первой емкости должен иметь отверстия для прохода через него жидкости (при ее поступлении из камеры золотника на вход в гидравлический двигатель), и должен иметь меньшую плотность, чем жидкость в первой емкости (чтобы поршень находился на поверхности жидкости).

Та часть второй емкости, с которой сообщается камера золотника, в момент ее сообщения может быть частично заполнена жидкостью. Однако в момент времени, когда камера золотника изолируется от второй емкости, данная часть второй емкости должна быть полностью заполнена жидкостью (чтобы вся камера золотника была заполнена жидкостью).

Камера сгорания (и камера-теплообменник) и первая емкость могут быть выполнены и как единая конструкция.

Возможен вариант исполнения заявляемого теплового двигателя. В варианте двигателя внешнего сгорания (с внешним подводом тепловой энергии), когда тепловая энергия к сжатому газу в камере-теплообменнике подводится от жидкости, распыляемой форсункой. Температура жидкости на выходе из распылительной форсунки должна быть выше, чем температура сжатого газа, находящегося в камере-теплообменнике.

Распыляемая жидкость отдает тепловую энергию сжатому газу (при этом охлаждаясь), и затем вместе с газом поступает в первую емкость и далее через гидравлический двигатель во вторую емкость. Из второй емкости жидкость поступает в теплообменник, где к ней от внешнего источника подводится тепловая энергия (при этом температура жидкости повышается). Из теплообменника жидкость поступает в распылительную форсунку, и в дальнейшем все периодически повторяется.

При поступлении из первой емкости во вторую емкость жидкость может распыляться в той части второй емкости, в которой происходит сжатие газа. При этом будет отводиться тепловая энергия от сжимаемого газа к жидкости. То есть в этом случае происходит регенерация тепловой энергии (эта тепловая энергия будет использоваться в последующем рабочем цикле).

Через распылительную форсунку, установленную в камере-теплообменнике, может проходить только часть жидкости, поступающей из первой емкости во вторую емкость.

Таким образом, в данном варианте исполнения заявляемого теплового двигателя жидкость, создающая гидростатический напор на входе в гидравлический двигатель, используется (ее часть) и как теплоноситель, подводящий тепловую энергию от внешнего источника к рабочему телу (газу) двигателя. Однако эти две задачи могут выполнять и разные жидкости. При этом жидкость, используемая в качестве теплоносителя, после ее поступления в первую емкость должна любым возможным образом отделяться от жидкости, находящейся в первой емкости и используемой для создания гидростатического напора на входе в гидравлический двигатель. Это можно сделать, например, если жидкость-теплоноситель будет иметь меньшую плотность, чем жидкость, используемая для создания гидростатического напора. При этом жидкость-теплоноситель будет находиться на поверхности жидкости, создающей гидростатический напор, откуда она любым возможным образом будет собираться и направляться в теплообменник.

Таким образом, в данном варианте исполнения заявляемого теплового двигателя устранен один из теплообменников (с передачей тепловой энергии через стенку теплообменника), что упрощает конструкцию теплового двигателя.

Как известно, в заданном интервале температур горячего и холодного источников наибольший термический коэффициент полезного действия (КПД) будет иметь тепловой двигатель, работающий по так называемому циклу Карно.

Однако из-за ряда технических трудностей существующие тепловые двигатели не могут работать по циклу Карно, что снижает их термический КПД.

Эти технические трудности отпадают и становится возможным осуществить работу теплового двигателя по циклу Карно, если в качестве рабочего тела использовать влажный пор. В этом случае изобарический процесс, как известно, является и изотермическим. Постоянство температур в изобарическом процессе подвода или отвода тепла обеспечивается здесь испарением или конденсацией части рабочего тела (М.П.Вукалович. И.И.Новиков. Техническая термодинамика. М. Госэнергоиздат, 1955, с.282).

Однако существующие расширительные машины (поршневые, турбины и др.) не могут работать на влажном паре. Турбины, в частности, не могут работать на влажном паре из-за эрозии рабочих лопаток от соударения их с частицами жидкости, находящейся в движущемся паре. Следовательно, в существующих тепловых двигателях на удается реализовать работу по циклу Карно. Заявляемый тепловой двигатель безразличен к влажному пару, т.е. его поршнями является жидкость. Следовательно, он может работать по циклу Карно, что позволит ему иметь наибольший термический КПД из всех известных тепловых двигателей.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 672362, кл. F 01 B 11/08, опубл. 7.07.79.

2. Беляев Н.М. Системы наддува топливных баков ракет. М. Машиностроение, 1976.

3. Любимов В.И. и др. Суда на воздушной подушке. М. Транспорт, 1984.

4. Прокофьев В.Н. и др. Аксиально-поршневой регулируемый гидропривод. М. Машиностроение,1969.

5. Двигателестроение. N 4, 1989.

6. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. М. Машиностроение, 1971.

7. Теория ДВС. /Под ред. Дьяченко Н.К. Л. Машиностроение, 1974.

8. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л. Судпромгиз, 1957.

Формула изобретения

1. Тепловой двигатель, содержащий первую емкость, которая частично заполнена жидкостью, а частично газом, отличающийся тем, что имеется вторая емкость, частично заполненная той же жидкостью, что и первая емкость, а частично газом, имеется дополнительно по меньшей мере одна первая камера, и/или образованная внешней поверхностью золотника и внутренней поверхностью корпуса, в котором золотник концентрически установлен, или образованная только поверхностью золотника, или образованная неподвижными стенками, или образованная любым иным приемлемым образом, золотник выполнен с возможностью совершать любое периодически повторяющееся движение, например вращательное, первая камера выполнена с возможностью периодического и поочередного сообщения как с той частью первой емкости, которая заполнена газом, так и с той частью второй емкости, которая заполнена жидкостью, к той части первой емкости, которая заполнена жидкостью, подключен гидравлический двигатель любого типа, например аксиально-поршневой, выход из гидравлического двигателя подключен к любой части второй емкости, имеется также по меньшей мере одна вторая камера, выполненная в качестве и/или камеры сгорания, или камеры-теплообменника, при этом вторая камера и первая емкость могут быть выполнены и как единая конструкция, вторая камера выполнена с возможностью периодического и поочередного сообщения как с той частью второй емкости, которая заполнена газом, так и с любой частью первой емкости, данный тепловой двигатель может быть выполнен и/или по замкнутому рабочему циклу, или по разомкнутому рабочему циклу, при этом во втором случае к той части второй емкости, которая заполнена газом, подключены входной и выходной каналы.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выход из гидравлического двигателя подключен к той части второй емкости, которая сообщена с первой камерой.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в части второй емкости, заполненной газом, установлено устройство для распыления жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5