Способ работы теплового двигателя

 

Изобретение относится к моторостроению и может быть использовано в системах наземного, воздушного и морского транспорта. Оно позволяет повысить эффективность и упростить конструкцию двигателя. Способ работы теплового двигателя заключается в том, что воспламенившаяся топливная смесь в цилиндре двигателя через соответствующий клапан подается в теплообменник, помещенный в жидкость, которая находится в емкости, и эта жидкость под воздействием проходящих через теплообменник раскаленных газов начинает кипеть и тем самым создает внутри этой емкости необходимое давление пара, который через соответствующие клапаны в необходимом количестве подается в рабочие цилиндры двигателя, приводя при этом в движение поршни и совершая тем самым полезную механическую работу.

Изобретение относится к системам промышленного моторостроения, к системам наземного, воздушного и морского транспорта.

Известен способ работы теплового двигателя, в котором топливо сгорает внутри цилиндра этого двигателя, ввиду чего такой двигатель получил название "двигатель внутреннего сгорания" (А. С. Орлов, М. Г. Круглов. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. - М.: "Машиностроение", 1980, с. 8-10). КПД такого двигателя даже при использовании современной технологии в высоко развитых странах не превышает 30 - 37%. При сгорании топлива внутри цилиндра этот недостаток нельзя устранить принципиально, т.к. 50% тепловой энергии почти сразу выбрасывается в выхлопную трубу. Но при таком низком КПД этот двигатель обладает и многими другими недостатками. Во-первых, невозможность работы на малых оборотах, что вынуждает применять технологически сложное, а потому дорогое устройство - трансмиссию. Во-вторых, использование трансмиссии требует применения другого дорогого и сложного узла - корзины сцепления. В-третьих, конструкция двигателя вынуждает применять специальный радиатор охлаждения, который сложен конструктивно, дорог и при этом достаточно ненадежен в работе и, кроме того, в него нужно заливать специальную жидкость, достаточно дорогую и ядовитую. В-четвертых, запуск такого двигателя зачастую превращается в целую проблему, особенно при неблагоприятных погодных условиях. Перечислены далеко не все недостатки так называемых "двигателей внутреннего сгорания" и избавиться от этих недостатков можно только кардинально изменив способ работы теплового двигателя.

Техническим результатом изобретения является большое увеличение КПД, упрощение конструкции двигателя, отсутствие таких дорогих узлов, как трансмиссия, корзина сцепления, радиатор охлаждения и т.д. При остановке транспортного средства двигатель тоже не работает, а при начале движения автомобиля не требуется запускать двигатель. Помимо этого предлагаемый двигатель способен работать на самом низкооктановом бензине и при этом обеспечивается практически полное сгорание топлива, что ведет к низкому содержанию в выхлопных газах СО и СН.

Поставленная цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу работы теплового двигателя воспламенившаяся топливная смесь в цилиндре двигателя через соответствующий клапан подается в теплообменник, помещенный в жидкость, которая находится в емкости, и эта жидкость под воздействием проходящих через теплообменник раскаленных газов начинает кипеть и тем самым создает внутри этой емкости необходимое давление пара, который через соответствующие клапаны в необходимом количестве подается в рабочие цилиндры двигателя, приводя при этом в движение поршни и совершая тем самым полезную механическую работу.

Существенным отличием при этом является то, что воспламенившаяся топливная смесь не остается в рабочем цилиндре, чтобы благодаря выделившейся тепловой энергии произвести механическую работу (поршень из крайнего верхнего положения перевести в крайнее нижнее положение), а через соответствующий клапан поступает в теплообменник, который находится в нижней части специальной емкости, которая заполнена жидкостью по крайней мере до уровня, при котором теплообменник полностью находится в этой жидкости. Воспламенившиеся газы, имеющие высокую температуру, проходя через теплообменник, нагревают жидкость, находящуюся в емкости, и, таким образом, температура жидкости увеличивается, а температура газов падает до температуры нагреваемой жидкости при выходе этих газов из теплообменника в атмосферу.

При воспламенении газы имеют температуру порядка 1500^oC, поэтому вода под действием проходящих в теплообменнике газов начинает быстро нагреваться и кипеть, а поэтому в емкости очень быстро поднимается давление пара (как в котле паровоза) и при этом температура воды в зависимости от нужного давления пара поднимается до 160-180^oC. Конструкция теплообменника выполняется таким образом, что воспламенившиеся газы, пройдя через него, отдают всю свою тепловую энергию от 1500 до примерно 180^oC на нагрев воды, а затем уходят в атмосферу. Как известно, температура отработанных газов, выбрасываемых в выхлопную трубу в двигателях внутреннего сгорания, равна примерно 600^oC. Кроме того, большое количество тепловой энергии в двигателях внутреннего сгорания выбрасывается в атмосферу через радиатор охлаждения двигателя. В предлагаемом двигателе не только нет радиатора охлаждения, но и саму емкость, в которой находятся теплообменник и вода, необходимо самым тщательным образом теплоизолировать от окружающей среды. Отсюда видно, что в предлагаемом двигателе потерь тепловой энергии по сравнению с двигателями внутреннего сгорания намного меньше, а значит, и КПД предлагаемого двигателя намного выше.

Т. к. легко достичь необходимого давления пара в емкости, содержащей теплообменник, то подавая этот пар через соответствующие клапаны в рабочие цилиндры двигателя поршни в этих цилиндрах прийдут в движение и начнут при этом производить полезную работу.

Одним из возможных примеров практического использования такого двигателя является автомобилестроение. В таком двигателе будут два типа цилиндров - топливные и рабочие, при этом топливных цилиндров может быть всего один, а рабочих - не менее двух. Топливные цилиндры служат для подготовки и воспламенения топливной смеси, а так как у них нет рабочего хода и хода очистки цилиндра от отработанных газов, то работают они в двухтактном режиме: первый такт - всасывание рабочей смеси, второй такт - сжатие и воспламенение рабочей смеси вблизи верхней мертвой точки хода поршня и при этом воспламенившаяся смесь через соответствующий клапан поступает в теплообменник. В результате передачи тепловой энергии газов через теплообменник воде, которая будет кипеть, в емкости создается необходимое давление пара, подавая который через соответствующие клапаны в рабочие цилиндры двигателя, последний приведет автомобиль в движение. При этом количество пара, подаваемого в рабочие цилиндры, можно регулировать в любых количествах, а поэтому такой двигатель может иметь любые обороты, от самых малых до самых больших. Таким образом, в данном автомобиле не нужны трансмиссия и корзина сцепления. Т.к. данный двигатель не нуждается в системе охлаждения (наоборот, нужно принять все меры защиты двигателя от утечки тепла в атмосферу), то для данного двигателя не нужен радиатор охлаждения. При остановке автомобиля двигатель не будет работать - а это еще одно преимущество данного двигателя. Фактически, такой двигатель не нуждается в стартере, поскольку его не нужно запускать, т.к. давление пара в емкости сохраняется надолго (при условии хорошей теплоизоляции этой емкости и всех паропроводов и рабочих цилиндров, а также надежно работающих клапанов). Если же автомобиль останавливаются на долгий срок, то нетрудно сделать автоматическое включение двигателя при уменьшении давления пара в емкости до определенной величины с целью поднятия давления пара до нормы с автоматическим выключением двигателя после этого. Это особенно удобно при эксплуатации автомобиля в суровых климатических условиях.

По мнению автора, вышеуказанное существенное отличие позволяет достичь поставленной цели изобретения.

Формула изобретения

Способ работы теплового двигателя, отличающийся тем, что воспламенившаяся топливная смесь в цилиндре двигателя через соответствующий клапан подается в теплообменник, помещенный в жидкость, которая находится в емкости, и эта жидкость под воздействием проходящих через теплообменник раскаленных газов начинает кипеть и тем самым создает внутри этой емкости необходимое давление пара, который через соответствующие клапаны в необходимом количестве подается в рабочие цилиндры двигателя, приводя при этом в движение поршни и совершая тем самым полезную механическую работу.