Сущность изобретения: изобретение позволяет повысить надежность работы адиабатного двигателя за счет выполнения деталей его цилиндро-поршневой группы из монокристалла лейкосапфира, на поверхности которого отсутствуют концентраторы напряжений, а низкий коэффициент трения материала, его высокая твердость и низкий коэффициент линейного расширения позволяют установить поршень 3 с непосредственным его контактом со стенками рабочего цилиндра 1, что, в свою очередь, позволит отказаться от уплотнений. Выполнение силовой втулки 6 из металлокерамики позволяет установить рабочий цилиндр 1 и втулку 6 с натягом. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к адиабатным двигателям внутреннего сгорания.
Известен адиабатный двигатель внутреннего сгорания, в котором детали цилиндропоршневой группы выполнены из металлокерамики, что позволяет уменьшить потери тепла в систему охлаждения двигателя. Недостатком его является низкая надежность теплоизоляционного материала из-за его недолговечности при циклических температурных и механических нагрузках. Наиболее близким техническим решением к описываемому двигателю является адиабатный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с головкой, расположенный в нем поршень с днищем, связанный с выходным валом, впускной патрубок, соединенный с головкой, и силовую втулку, установленную вокруг рабочего цилиндра соосно с ним, причем рабочий цилиндр, его головка и днище поршня, образующие камеру сгорания, выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, в частности, из металлокерамики. Указанное техническое решение принято в качестве прототипа. Недостатки прототипа заключаются в низкой надежности деталей камеры сгорания, выполненных из металлокерамики, из-за быстрого их разрушения под воздействием циклических нагрузок, а также в необходимости выполнения зазора между цилиндрическими поверхностями поршня и цилиндра из-за низких характеристик материала при их взаимодействии при перемещении поршня, что приведет к снижению эффективности работы двигателя. Цель изобретения: повышение надежности достигается в предложенном двигателе за счет выполнения деталей цилиндропоршневой группы из монокристалла, например, лейкосапфира, на поверхности которого отсутствуют концентраторы напряжений, а низкий коэффициент трения при этом, высокая твердость и низкий коэффициент линейного расширения позволяют установить поршень с непосредственным его контактом со стенками цилиндра и возможно отказаться от установки уплотнений. Выполнение силовой втулки их металлокерамики, в отличие от прототипа, в котором втулка выполнена из металла, позволяет установить рабочий цилиндр и втулку в контакте без зазора, например, с натягом из-за близких по значению коэффициентов линейного расширения материала, из которых они выполнены. На фиг. 1 представлен описываемый двигатель; на фиг.2 - то же, вариант соединения головки с цилиндром. Адиабатный двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр 1 с головкой 2, расположенный в нем поршень 3 с днищем 4, связанный с выходным валом (не показан), впускной патрубок 5, соединенный с головкой 2, по меньшей мере, одну силовую втулку 6, установленную вокруг рабочего цилиндра 1 соосно с ним. Рабочий цилиндр 1, его головка 2 и днище 4 поршня 3, образующие камеру сгорания 7, выполнены из монокристалла, например, лейкосапфира. Двигатель снабжен двумя пластинами 8 и 9, между которыми установлен своими торцами рабочий цилиндр 1 с головкой 2, а пластины стянуты между собой, например, шпильками 10. Силовая втулка 6 выполнена из металлокерамики, причем ее внутренняя поверхность, а также поверхность пластины 8, контактирующая с головкой 2, выполнены полированными, а на внутренней поверхности поршня 3 выполнено отражающее покрытие 11. Поршень 3 может быть выполнен цилиндрическим и связан с выходным валом (не показан) при помощи штока 12, расположенного в отверстии 13 пластины 9. Отражающее покрытие 11 поршня 3 может быть выполнено в виде диска 14 (фиг. 2), диаметр которого не больше диаметра поршня 3, а поверхность диска 14, контактирующая с поверхностью поршня 3, выполнена полированной. Отражающее покрытие 11 поршня 3 может быть выполнено также из напыленного на его поверхность металла. Головка 2 может быть выполнена как заодно с цилиндром 1, так и скрепленной с ним, например, путем склеивания. Впускной патрубок 5 может быть выполнен в виде втулки 15 с конусной частью 16, размещенной в соосных отверстиях головки 2 и пластины 8, причем отверстие в головке 2 выполнено конусным с увеличением его диаметра в сторону камеры сгорания 7, на наружной поверхности втулки 15 выполнена резьба, на которую навернута стяжная гайка 17, внутренняя поверхность конусной части 16 патрубка 5 контактирует с посадочной поверхностью клапана 18, а внешняя конусная часть - с конусным отверстием головки 2. Двигатель работает следующим образом. Работа расширения горящих газов передается на выходной вал (не показан) посредством перемещающегося возвратно-поступательного поршня 3. Тепло газов практически не передается в окружающую среду благодаря низкой теплопроводности монокристаллов, в частности, лейкосапфиров. Выбор монокристалла лейкосапфира для выполнения рабочего цилиндра 1 и поршня 3 обусловлен также и его низким коэффициентом трения, что может позволить обойтись без смазки цилиндропоршневой группы, что, в свою очередь, приведет к снижению токсичности отработавших газов, уменьшению нагарообразования на стенках камеры сгорания 7 и расхода масла. Сравнительно низкий коэффициент линейного расширения материала поршня 3 и цилиндра 1 может также позволить обойтись и без уплотнительных колец, которые в прототипе установлены в блоке цилиндров. Так как монокристалл более устойчив к циклическим температурным нагрузкам, именно в описываемом двигателе может быть установлена форсунка 19 для впрыска в камеру сгорания 7 воды, что позволит более полно использовать тепло газов особенно в адиабатном двигателе, а также еще более снизить токсичность отработавших газов. Выполнение силовой втулки 6 именно из металлокерамики, обладающей коэффициентом линейного расширения, близким по значению к коэффициенту монокристалла, позволяет напрессовывать ее на рабочий цилиндр 1 для создания предварительного напряжения обратного знака для лучшей работы рабочего цилиндра 1 на растяжение при сгорании. Керамическая втулка 6 выполняет также роль дополнительного теплоизоляционного слоя, а полировка внутренней ее поверхности, а также внутренней поверхности пластины 8 позволит уменьшить потери лучистой составляющей тепла горящих газов. Для этой же цели служит и отражающее покрытие 11 поршня 3. Предварительно стягивание рабочего цилиндра 1 шпильками 10 в осевом направлении также позволяет улучшить работу материала рабочего цилиндра 1 при максимальных давлениях сгорания. Выполнение связи поршня 3 с выходным валом (не показан) в виде штока 12 позволит упростить узел связи с ним поршня 3 за счет, например, их склеивания (шток также может быть выполнен из монокристалла), а также - воспринимать совместно с пластиной 9, в отверстие которой он установлен, различные боковые нагрузки, возникающие в механизме преобразования движения. Выполнение впускного патрубка 5, а также и выпускного (не показан) в виде втулки 15 с конусной частью 16 позволит закрепить его на двигателе, а также дополнительно скрепить пластину 8 с головкой 2 между собой. При этом седло клапана 18 за счет такого выполнения патрубка 5 может быть сменным. Таким образом, описанное выше выполнение адиабатного двигателя позволит повысить его надежность за счет увеличения ресурса теплоизоляционного покрытия, при одновременном снижении токсичности отработавших газов за счет возможности установки в его камере сгорания водяной форсунки и отсутствия смазки между трущимися деталями цилиндропоршневой группы.www.findpatent.ru
Область техники
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.
Уровень техники
В качестве энергетических установок в современном мире широкое распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания. Особенностью двигателей этого типа является то, что процесс сгорания топливовоздушной смеси и преобразование тепловой энергии в механическую происходят непосредственно в цилиндре двигателя.
Условия работы теплового двигателя впервые были сформулированы французским ученым С.Карно. Эти условия заключаются в том, что для превращения теплоты в механическую работу необходимо иметь, по крайней мере, два источника теплоты с разными температурами (теплоотдатчик и теплоприемник), взаимодействующие с рабочим телом в круговом процессе (цикле).
Простейшим циклом, соответствующим этим условиям, является цикл, осуществляемый между двумя источниками теплоты, имеющими различные постоянные температуры Т1 и Т2. Тело с более высокой температурой Т1 называют горячим источником теплоты или теплоотдатчиком, а тело с более низкой температурой Т2 - холодным источником или теплоприемником.
Из второго начала термодинамики вытекает важное заключение, касающееся основного экономического показателя тепловых двигателей - коэффициента полезного действия (КПД). Известно также, что КПД теплового двигателя зависит от эффективности использования тепла от сгорания топлива. Тепловой баланс показывает, что в ДВС используется полезно только 35% тепла на полезную работу, т.е. от параметров рабочего тела (его давления и температуры), а остальное тепло расходуется на охлаждение и выброс с отработанными газами. Поэтому в разрабатываемых двигателях уменьшение этих потерь также повышает эффективный КПД.
Термический КПД тем выше, чем шире интервал значений температур цикла, т.е. чем больше числовое значение отношения 
. Однако очень важно, за счет какой именно температуры цикла (минимальной или максимальной) происходит это расширение. В результате анализа видим, что при одинаковых по модулю приращениях максимальной и минимальной температур изменение Tmin отражается на КПД цикла Карно сильнее, чем изменение Тmax.
В качестве примера рассмотрим тепловой двигатель, который работает по циклу Карно в интервале значений температуры от Tmin=300 К до Tmax=2400 К. В этом случае термический КПД=0,875. При снижении только температуры Tmin на 20 К КПД увеличивается на 0,00833, а при повышении температуры Tmax также на 20 К КПД увеличивается на 0,00103. Таким образом, в случае изменения температуры Тmax приращение КПД в 8 раз меньше, чем при изменении температуры Tmin.
В современных ДВС температура газа в цилиндре в конце расширения Т2 очень высокая (…К), что и ограничивает рост КПД.
Итак, понижение нижней температуры Tmin является действительно эффективным способом повышения КПД цикла.
Камера сгорания
Камера сгорания - замкнутое пространство для сжигания топлива. Они бывают периодического действия (в поршневых ДВС) и непрерывного действия (в газотурбинных и реактивных двигателях).
Большое разнообразие камер сгорания объясняется стремлением достигнуть высокой экономичности и мягкого сгорания (для улучшения износа).
Процесс сгорания - основной процесс рабочего цикла двигателя, в течение которого теплота, выделяющаяся вследствие сгорания топлива, идет на повышение внутренней энергии рабочего тела и на совершение механической работы.
Высокотемпературный цикл, реализуемый в ДВС, приводит к необходимости оснащения системой охлаждения практически всех без исключения поршневых двигателей.
Количество теплоты, переданное системе охлаждения, представляет собой основную часть потерь, определяющих индикаторный КПД двигателя. В быстроходных двигателях в систему охлаждения отводится 25…35% вводимой в цилиндр с топливом теплоты.
Сгорание должно происходить в строго определенной фазе цикла - слишком раннее или позднее сгорание приводит к уменьшению давления в цилиндре и, в конечном счете, к ухудшению основных параметров двигателя.
Идея сжигания топлива непосредственно в цилиндре имеет существенные недостатки еще и потому, что сгорание подчинено режиму движения поршня, задаваемому нагрузкой на двигатель.
Поэтому, как правило, в ДВС горение топлива, особенно в режимах малой нагрузки, происходит в неблагоприятных условиях. Для того чтобы сделать горение устойчивым, приходится использовать так называемую обогащенную горючую смесь, т.е. смесь топлива с воздухом, в которой топлива заведомо больше, чем может теоретически сгореть в этом воздухе. Ясно, что в связи с этим выхлопные газы таких двигателей содержат несгоревшее топливо или точнее некоторые промежуточные соединения - продукты так называемого неполного горения.
В целях достижения высокой экономичности двигателя необходима камера сгорания, обеспечивающая нежесткую динамическую газовую нагрузку на поршень и кривошипный механизм, т.е. равномерная скорость нарастания давления газа на поршень после воспламенения топлива в камере сгорания двигателя.
Процесс расширения
В процессе расширения (рабочий ход) производится механическая работа за счет тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива.
Под значительным давлением расширяющихся газов поршень движется от В.М.Т. к Н.М.Т. и через шатун проворачивает коленчатый вал. По мере перемещения поршня давление газов в цилиндре падает, а температура понижается.
В процессе расширения давление в цилиндре карбюраторного двигателя при сгорании составляет в среднем 3,5 МПа, а в конце расширения - 0,4 МПа, т.е. падает в 8,75 раза. Температура сгорания в этом двигателе составляет в среднем 2550 К, а при расширении составляет 1350 К, т.е. падает в 1,9 раза. В процессе расширения давление в цилиндре дизеля при сгорании составляет в среднем 6,3 МПа, а в конце расширения - 0,3 МПа, т.е. падает в 21 раз. Температура сгорания в дизеле составляет в среднем 2000 К, а в конце расширения - 1100 К, т.е. падает в 1,8 раза.
При этом температура выпуска отработанных газов у дизеля и карбюраторного двигателя практически одинакова и составляет среднюю величину в 900 К.
Итак, в ДВС в процессе расширения температура сгорания топлива в цилиндре реально уменьшается только в два раза и составляет высокую температуру выпуска отработанных газов. Поэтому цилиндр в принципе не обеспечивает необходимую степень расширения газа и рост КПД в нем недостижим. Чтобы приблизиться к минимально возможной температуре окружающей среды в 300 К, надо еще и температуру выпуска понизить не меньше чем в 2 раза. В пределе для роста КПД необходимо изменение (падение) температуры от Тmax до Tmin от 2-х до 5 раз, т.е. 
, т.е. понижение Т2 до 500 К. В этом случае 
.
Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто, в котором подвод тепла осуществляется при постоянном объеме в камере сгорания.
В этом цикле подвод тепла осуществляет в районе ВМТ, что имеет неприятные следствия. В реальном двигателе воспламенение топлива происходит даже не в ВМТ, а еще до ее достижения, т.е. на противоходе. Это уменьшает полезную работу.
Кроме этого, в ВМТ поршень короткое время неподвижен и тепловая энергия не превращается в механическую работу, а значительная ее часть идет на нагрев камеры сгорания, головки блока, поршня и стенок цилиндра, которые необходимо охлаждать.
Вращательный момент от сгорания топлива возникает на кривошипе с углом поворота в 140°. Однако первые 10° угла поворота коленчатого вала от ВМТ дают небольшой ход поршня (до 10 мм), т.е. шатун и шейка коленчатого вала расположены практически на прямой линии и вращательный момент отсутствует.
Только начиная с угла поворота коленчатого вала в 10-30° (ход поршня до 40 мм), возникает на кривошипе вращательный момент, а затем уменьшается из-за увеличения объема расширения и уменьшения давления в цилиндре.
Одним из недостатков двигателя с воспламенением от сжатия (дизель) является высокая жесткость сгорания топлива, которая определяется высокой скоростью нарастания давления газов в цилиндре после воспламенения топлива в камере сгорания. Жесткость сгорания характеризует степень ударности газовой нагрузки на поршень, шатун и коленчатый вал и поэтому ускоряет износ двигателя, т.к. скорость нарастания давления в цилиндре при повороте коленчатого вала на один градус может составлять с умеренными степенями сжатия от 0,1 до 0,12 МПа/°.
Можно сделать вывод, что организация сгорания топлива в цилиндре с поршнем приводит к нерациональным потерям тепла и снижает вращающий момент из-за кривошипно-шатунного механизма.
Среднее индикаторное давление
В ДВС выделяют величину pi, которую называют средним индикаторным давлением цикла. Она представляет собой такое условное постоянно действующее избыточное давление, при котором работа газов, произведенная за один ход поршня, равна индикаторной работе за цикл. То есть среднее индикаторное давление равно полезной работе цикла, отнесенной к единице рабочего объема цилиндра. Поэтому давление рi характеризует совершенство цикла и самого двигателя.
При сгорании топлива давление газа высокое и составляет в бензиновых двигателях 3-4,5 МПа, а в дизельных 5-12 МПа. Однако это давление не сохраняется, а в ходе расширения в цилиндре оно резко падает в 8-20 раз. Поэтому среднее индикаторное давление меньше максимального и при расчетах его учитывают как условно постоянно действующее в цилиндре.
При работе на полной нагрузке величина среднего индикаторного давления достигает:
для бензиновых двигателей 0,6-1,4 МПа и дизелей 0,7-1,1 МПа.
Наибольший возможный объем рабочего тела Vmax достигается при продолженном расширении рабочего тела до минимального давления рmin (1 атм). Вследствие этого возрастают и термический КПД, и работа цикла. Однако с увеличением объема Vmax соответственно уменьшается среднее давление цикла. Снижение среднего давления цикла при условии получения заданной мощности приводит к необходимости увеличения размеров цилиндра. Поэтому в поршневых двигателях внутреннего сгорания осуществляется цикл, в котором расширение рабочего тела заканчивается при давлении значительно более высоком, чем давление минимально возможное.
Отметим, что эффективная мощность двигателя прямо пропорциальна среднему эффективному давлению. Следовательно, эффективную мощность двигателя можно изменить увеличением или уменьшением среднего индикаторного давления.
Работа и теплота
При увеличении объема, т.е. при расширении, тело перемещает окружающие его тела, т.е. совершает над ними работу. Например, газ, находящийся в цилиндрическом сосуде, закрытом перемещающимся поршнем, при расширении совершает работу.
ΔA=pΔV, где р - давление газа, ΔV=S Δх - изменение объема газа, вызванное перемещением поршня на расстояние Δх; S - площадь поршня.
При постоянном давлении при расширении газа от объема V1 до объема V2 газ совершает работу
A=p(V2-V1)
Работа, совершаемая 1 молем газа при изотермическом расширении от объема V1 до объема V2, равна 
, где R - газовая постоянная.
При адиабатическом расширении тепла давление убывает обратно пропорционально Vγ, т.е. более быстро, поскольку γ>1.
Адиабатный двигатель
В настоящее время актуальным остается проблема создания двигателей с уменьшенным отводом теплоты от рабочего тела, предельным случаем которых является так называемый адиабатный двигатель.
Адиабатным двигателем считается тот, у которого предельно мала теплоотдача в стенки и за счет этого достаточно большой КПД.
Реализация идеи адиабатного двигателя с применением монолитной керамики для изоляции стенок цилиндров и деталей, ограничивающих камеру сгорания, оказалась ошибочной в связи с ростом температуры газов и количества оксидов азота в отработавших газах.
В результате анализа выяснилось, что причина неудач этой схемы двигателя заключается в том, что сгорание топлива происходило в цилиндре с поршнем, с внутренней теплоизоляцией стенок цилиндра и деталей, ограничивающих камеру сгорания. В этом “тепловом мешке” температура газов возросла, но одновременно возросла и теплоотдача в систему охлаждения, а при ограниченном расширении газа в цилиндре (с повышенной температурой) из-за кривошипно-шатунного механизма расширение оказалось недостаточным, поэтому сохранилась высокая температура отработавших газов. В итоге расход топлива не уменьшился и КПД двигателя не увеличился.
Основные недостатки поршневого двигателя
Термодинамический цикл ДВС, организованный в одном цилиндре с поршнем, происходит в неоптимальных условиях по следующим причинам:
1. Режим горения топлива оказывается подчиненным режиму движения поршня, задаваемому нагрузкой на двигатель (горение в неблагоприятных условиях).
2. Сгорание топлива в надпоршневом пространстве приводит к потере тепла в систему охлаждения 25-35% и отработанными газами 30-40%.
3. Малое падение температуры сгоревшего топлива (до 2-х раз) из-за недостаточного объема расширения снижает КПД.
4. Выпуск рабочего газа с высоким давлением уменьшает среднее эффективное давление (мощность двигателя).
5. Такты цикла осуществляются в цилиндре с большими перепадами температур, что приводит к значительным тепловым потерям.
6. Жесткость сгорания топлива, особенно в дизеле (высокая скорость нарастания давления).
Известен комбинированный двигатель А.Н.Шелеста, в котором топливо сгорает и образующиеся газы поршнем нагнетаются в резервуар, т.е. двигатель выполняет роль генератора сжатых газов. Давление генерируемых газов в ресивере составляло 4 кг/см2 при температуре 500°С. При сгорании 1 кг жидкого топлива образовывалось 72,5 кг генерированного газа.
Наиболее близким по технической сущности изобретением (прототипом) к предлагаемому является «Термодинамический цикл для двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления». Автор изобретения М.П.Фролов №2167315, кл. F02B 11/00, 75/04 1999 г.
В этом изобретении предложен термодинамический цикл с раздельными тактами по цилиндрам. В одном цилиндре происходят два такта - всасывание и сжатие чистого воздуха, а в другом цилиндре - сгорание топлива, рабочий ход и выхлоп. Оптимальное разделение термодинамического цикла по двум цилиндрам (двух спаренных тактов) позволяет совершенствовать рабочий процесс теплового двигателя.
Однако в данном термодинамическом цикле имеется существенный недостаток - это организация сгорания топлива в цилиндре. Уже отмечалось, что сгорание топлива в цилиндре приводит к большим тепловым потерям в систему охлаждения и выхлоп, а также неполному расширению газа. В целях совершенствования термодинамического цикла, организованного в двух раздельных цилиндрах, предлагается устройство адиабатного двигателя, в котором сгорание топлива вынесено из цилиндра в отдельное устройство.
Одним из основных направлений по совершенствованию ДВС является повышение эффективности процесса сгорания топлива, а также снижение уровня вредных выбросов за счет улучшения процесса сгорания.
Сущность изобретения
Основная часть по совершенствованию термодинамического цикла (М.П.Фролова), разделенного по двум цилиндрам, заключается в том, что предлагается сгорание топлива из цилиндра вынести в отдельное устройство - теплоизолированную камеру сгорания с ресивером газа.
Задачей изобретения является повышение КПД двигателя, полнота сгорания топлива, исключение передачи тепла в систему охлаждения и уменьшение температуры выхлопа, увеличенное расширение газа, а также оптимизация процессов отдельных тактов.
Цель: создание двигателя с уменьшенным отводом тепла от рабочего тела, предельным случаем которого является так называемый адиабатный двигатель. Создание экономичного и малотоксичного рабочего процесса в таком двигателе возможно за счет комплекса мероприятий, которые позволяют понизить температуру рабочего тела в двух отдельных объемах расширения. Первый объем - теплоизолированная камера сгорания, в которую подается из ресивера сжатый воздух из компрессора.
После подачи топлива в камеру сгорания оно сгорает, рабочее тело расширяется и первично охлаждается в объеме ресивера газа также теплоизолированного. Второй объем расширения газа осуществляется в рабочем цилиндре с поршнем, где происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Здесь поршень перемещается под постоянным давлением. Рабочее тело повторно охлаждается в процессе расширения в цилиндре и выбрасывается в атмосферу.
Для повышения роста КПД предлагается в целом понизить температуру сгорания до четырех-пяти раз. Это возможно осуществить, если в термодинамическом цикле применить двойное расширение газа. В начале, рабочий газ после сгорания расширить в теплоизолирующем сосуде - ресивере, где температура уменьшается в 2-3 раза. Затем рабочий газ расширить в рабочем цилиндре до 2-х раз.
Описание чертежей
Предлагаемое устройство адиабатного двигателя поясняется чертежом: Фиг.1 - схематично представляет изобретение под названием «Устройство адиабатного двигателя; где 1 - компрессор воздуха, 2 - впускной клапан компрессора, 3 - нагнетательный клапан, 4 - ресивер воздуха, 5 - регулируемый клапан подачи воздуха, 6 - окно подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, 7 - форсунка топлива, 8 - свеча зажигания, 9 - камера сгорания (сферическая), 10 - ребра охлаждения камеры сгорания, 11 - камера сжатого воздуха вокруг камеры сгорания, 12 - эжектор, 13 - отверстие (щели) эжектора, 14 - раструб камеры сгорания и эжектора, 15 - теплоизолированный корпус, 16 - внутренняя часть ресивера газов (продуктов сгорания), 17 - предохранительный клапан, 18 - канал впуска газа в рабочий двигатель, 19 - клапан впуска газа, 20 - клапан выпуска отработанных газов, 21 - рабочий двигатель, 22 - ресивер газа, 23 - цилиндрическая часть камеры сгорания, 24 - кинематическая связь компрессора с рабочим двигателем.
Осуществление изобретения
Предлагается адиабатный двигатель, который выполнен по схеме термодинамического цикла с разделением 4-х тактов по двум цилиндрам и сгоранием топлива в теплоизолированной камере сгорания и ресивере газа. В первом цилиндре (компрессоре) воздух сжимается поршнем и подается из ресивера в камеру сгорания. После подачи топлива в камеру сгорания оно сгорает, и газ первично расширяется в объеме ресивера газа. Затем открывается выпускной клапан в рабочий двигатель с поршнем, и газ выполняет механическую работу.
Общее устройство адиабатического двигателя изображено на фиг.1, который состоит из следующих частей: компрессора воздуха - 1, теплоизолированной камеры сгорания - 9 с ресивером газа - 22, рабочего двигателя - 21. Компрессор воздуха - 1 имеет выпускной клапан - 2 и нагнетательный клапан - 3, а также ресивер воздуха - 4, из которого сжатый воздух подается в сферическую часть камеры сгорания через регулируемый клапан - 5. Камера сгорания - 9 и ресивер газа - 22 находятся в теплоизолированном корпусе - 15, в котором размещается полость ресивера продуктов сгорания - 16, оснащенного предохранительным клапаном - 17.
В целом камера сгорания - 9 снаружи имеет ребра охлаждения - 10, которые направлены вдоль оси камеры сгорания. Вокруг камеры сгорания образовано пространство - камера сжатого воздуха - 11. В конце цилиндрической части камеры сгорания - 23 расположено эжекторное устройство - 12 с отверстиями - 13 (щелями), через которые отсасывается сжатый воздух, находящийся вокруг камеры сгорания в замкнутом объеме, и выбрасывается через раструб - 14 в ресивер газа - 22 во время сгорания топлива.
В камеру сгорания - 9 через окно - 6 подается сжатый воздух из ресивера воздуха - 4, а топливо - через форсунку - 7. В камере сгорания топливо поджигается свечой - 8.
Рабочий двигатель - 21 имеет цилиндр с поршнем, клапан выпуска - 19 с рабочего тела (газа) с внутренней полости ресивера газа - 16 через канал выпуска газа - 18, а выпуск отработанного газа происходит через клапан - 20.
Привод компрессора - 1 осуществляется от рабочего двигателя - 21 через кинематическую связь - 24.
Адиабатный двигатель работает следующим образом.
В поршневом компрессоре - 1 воздух сжимается и подается в ресивер воздуха - 4. Затем через управляемый нагнетательный клапан - 5 сжатый воздух из ресивера воздуха - 4 в необходимом объеме подается в сферическую часть камеры сгорания - 9. Сжатый воздух входит в камеру сгорания под углом к ее оси через окно - 6, а также в камеру сжатого воздуха - 11, объем которой расположен вокруг камеры сгорания - 9. Сжатый воздух заполняет также внутреннюю часть ресивера газов - 16. В итоге, все пространство в камере сгорания, вокруг нее и в ресивере газа заполняется в начале цикла сжатым воздухом с одинаковым давлением. Гипотетически представим его в виде давления воздушной среды в пределах 0,5-1,0 МПа. После создания этих условий в сферическую часть камеры сгорания - 9 впрыскивается топливо через форсунку - 7 и поджигается свечей - 8. Топливо сгорает, повышается температура и давление. Однако, в связи с тем, что внутри камеры сгорания и в ресивере газов было одинаковое давление, в момент сгорания топлива камера сгорания со стороны раструба камеры сгорания и эжектора - 14 «закрыта пробкой» сжатого газа с гипотетическим давлением 0,5-1,0 МПа. В связи с этим, хотя камера сгорания и не имеет механического клапана, сгорание в основном происходит в закрытом объеме сферической - 9 и цилиндрической частях камеры сгорания - 23. После резкого увеличения давления и температуры при сгорании топлива газы преодолевают давление сжатого воздуха на стороне раструба - 14 и выбрасываются в полость ресивера газа - 16. В момент истечения рабочего тела из цилиндрической части камеры сгорания - 23 отсасывается нагретый сжатый воздух вокруг камеры сгорания - 11, за счет эжектора - 12 через окна (щели) - 13. Этот воздух участвует в догорании топлива и перетекает во внутреннюю часть ресивера газа - 16.
Давление генерируемого газа в ресивере газа - 22 поддерживается в заданных пределах (гипотетически в пределах 10-15 МПа), которое затем подается в рабочий двигатель - 21 через канал выпуска - 18 и клапан впуска - 19.
В рабочем двигателе газ давит на поршень с относительно постоянным давлением, т.е. совершает механическую работу. При расширении газа его температура вторично понижается до минимально возможной и отработанный газ выталкивается поршнем в атмосферу через клапан выпуска - 20.
В целях поддержания расчетного давления в ресивере газа - 22 и избегания взрыва он оснащен предохранительным клапаном - 17.
При снижении расчетного давления в ресивере газа - 22 в камере сгорания и других объемах подается сжатый воздух из ресивера воздуха - 4.
В этом случае сжатый воздух продувает камеру сгорания, освобождает ее от отработанных газов и одновременно охлаждает. При этом процессе происходит в целом выравнивание давления в камере сгорания - 9, в камере сжатого воздуха - 11, в ресивере газов - 22. После этого подается воздух и топливо в необходимых количествах, происходит сгорание топлива и процессы повторяются.
Преимущества адиабатного двигателя
В предлагаемом двигателе компрессор 1 нагнетает воздух в ресивер воздуха 4, который позволяет регулировать подачу воздуха и топлива в камеру сгорания, что оптимизирует смесеобразование и сгорание топлива. Улучшает процесс смесеобразования и подача воздуха под углом к оси камеры сгорания, т.к образуется вихрь, способствующий перемешиванию топлива с воздухом.
Камера сгорания играет также роль теплового аккумулятора. Ее стенки воспринимают тепло в процессе сгорания топлива и отдают его путем теплопередачи от наружных оребренных стенок (площадь больше) к охлаждающей воздушной среде - воздуху камеры 11.
Кроме этого, избыточный запас воздуха, окружающий камеру сгорания, участвует в догорании топлива, что увеличивает массу рабочего тела и ускоряет процесс понижения температуры и давления рабочего тела.
В принципе тепловые машины, использующие в качестве рабочего тела воздух, могут работать без охлаждающего тела, выпуская отработавшие газы в атмосферу. Это возможно. Если расширение рабочего тела осуществить до больших объемов в сосуде, заключенном в теплонепроницаемую оболочку, т.е расширение, протекающее без теплообмена с окружающей средой, то температура газа понизится. Это первая стадия расширения газ до двигателя, т.е в ресивере газа 16.
Вторая стадия расширения рабочего тела происходит в рабочем двигателе 21 до тех пор, пока его температура не станет равной минимально возможной (расчетной). Этот прием двойного расширения газа в условиях теплоизоляции в несколько раз понижает температуру сгораемого топлива, что значительно повышает КПД двигателя. Кроме того, при этом упрощается конструкция двигателя, так как устраняются радиатор, вентилятор, водяной насос, система трубопроводов и охлаждающих каналов.
В технике для предотвращения нежелательного переноса энергии с теплотой применяют теплоизоляцию. Для этого применяют материалы, плохо проводящие тепло, а также создают препятствие для тепловой конвекции и теплового излучения. В предлагаемом термодинамическом цикле в качестве теплоизолятора принимается газ - атмосферный воздух, который окружает камеру сгорания 9. Кроме этого, чтобы снизить температуру рабочего тела без отвода теплоты из системы, камера сгорания и ресивер газа заключены в теплонепроницаемую оболочку (из современных композитов), где рабочему телу представлена возможность расширяться в значительном объеме.
В реальных двигателях мощность двигателя пропорциональна пропущенной через него массе воздуха, которая в свою очередь пропорциональна плотности воздуха. Поэтому для увеличения мощности двигателя выгоднее увеличивать массу нагреваемого воздуха и понижать разность температур, т.е при одинаковом подводе теплоты можно получать разное количество рабочего тела.
Источники информации
1. Фролов М.П. Патент Российской Федерации № F02B 11/00, 75/04 1999 г.
2. Теория поршневых двигателей. Кавтарадзе Р.С. Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007 г.
3. Теплотехника. Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007 г.
edrid.ru
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к адиабатным двигателям внутреннего сгорания. Известен адиабатный двигатель внутреннего сгорания, в котором детали цилиндропоршневой группы выполнены из металлокерамики, что позволяет уменьшить потери тепла в систему охлаждения двигателя. Недостатком его является низкая надежность теплоизоляционного материала из-за его недолговечности при циклических температурных и механических нагрузках. Наиболее близким техническим решением к описываемому двигателю является адиабатный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с головкой, расположенный в нем поршень с днищем, связанный с выходным валом, впускной патрубок, соединенный с головкой, и силовую втулку, установленную вокруг рабочего цилиндра соосно с ним, причем рабочий цилиндр, его головка и днище поршня, образующие камеру сгорания, выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, в частности, из металлокерамики. Указанное техническое решение принято в качестве прототипа. Недостатки прототипа заключаются в низкой надежности деталей камеры сгорания, выполненных из металлокерамики, из-за быстрого их разрушения под воздействием циклических нагрузок, а также в необходимости выполнения зазора между цилиндрическими поверхностями поршня и цилиндра из-за низких характеристик материала при их взаимодействии при перемещении поршня, что приведет к снижению эффективности работы двигателя. Цель изобретения: повышение надежности достигается в предложенном двигателе за счет выполнения деталей цилиндропоршневой группы из монокристалла, например, лейкосапфира, на поверхности которого отсутствуют концентраторы напряжений, а низкий коэффициент трения при этом, высокая твердость и низкий коэффициент линейного расширения позволяют установить поршень с непосредственным его контактом со стенками цилиндра и возможно отказаться от установки уплотнений. Выполнение силовой втулки их металлокерамики, в отличие от прототипа, в котором втулка выполнена из металла, позволяет установить рабочий цилиндр и втулку в контакте без зазора, например, с натягом из-за близких по значению коэффициентов линейного расширения материала, из которых они выполнены. На фиг. 1 представлен описываемый двигатель; на фиг.2 - то же, вариант соединения головки с цилиндром. Адиабатный двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр 1 с головкой 2, расположенный в нем поршень 3 с днищем 4, связанный с выходным валом (не показан), впускной патрубок 5, соединенный с головкой 2, по меньшей мере, одну силовую втулку 6, установленную вокруг рабочего цилиндра 1 соосно с ним. Рабочий цилиндр 1, его головка 2 и днище 4 поршня 3, образующие камеру сгорания 7, выполнены из монокристалла, например, лейкосапфира. Двигатель снабжен двумя пластинами 8 и 9, между которыми установлен своими торцами рабочий цилиндр 1 с головкой 2, а пластины стянуты между собой, например, шпильками 10. Силовая втулка 6 выполнена из металлокерамики, причем ее внутренняя поверхность, а также поверхность пластины 8, контактирующая с головкой 2, выполнены полированными, а на внутренней поверхности поршня 3 выполнено отражающее покрытие 11. Поршень 3 может быть выполнен цилиндрическим и связан с выходным валом (не показан) при помощи штока 12, расположенного в отверстии 13 пластины 9. Отражающее покрытие 11 поршня 3 может быть выполнено в виде диска 14 (фиг. 2), диаметр которого не больше диаметра поршня 3, а поверхность диска 14, контактирующая с поверхностью поршня 3, выполнена полированной. Отражающее покрытие 11 поршня 3 может быть выполнено также из напыленного на его поверхность металла. Головка 2 может быть выполнена как заодно с цилиндром 1, так и скрепленной с ним, например, путем склеивания. Впускной патрубок 5 может быть выполнен в виде втулки 15 с конусной частью 16, размещенной в соосных отверстиях головки 2 и пластины 8, причем отверстие в головке 2 выполнено конусным с увеличением его диаметра в сторону камеры сгорания 7, на наружной поверхности втулки 15 выполнена резьба, на которую навернута стяжная гайка 17, внутренняя поверхность конусной части 16 патрубка 5 контактирует с посадочной поверхностью клапана 18, а внешняя конусная часть - с конусным отверстием головки 2. Двигатель работает следующим образом. Работа расширения горящих газов передается на выходной вал (не показан) посредством перемещающегося возвратно-поступательного поршня 3. Тепло газов практически не передается в окружающую среду благодаря низкой теплопроводности монокристаллов, в частности, лейкосапфиров. Выбор монокристалла лейкосапфира для выполнения рабочего цилиндра 1 и поршня 3 обусловлен также и его низким коэффициентом трения, что может позволить обойтись без смазки цилиндропоршневой группы, что, в свою очередь, приведет к снижению токсичности отработавших газов, уменьшению нагарообразования на стенках камеры сгорания 7 и расхода масла. Сравнительно низкий коэффициент линейного расширения материала поршня 3 и цилиндра 1 может также позволить обойтись и без уплотнительных колец, которые в прототипе установлены в блоке цилиндров. Так как монокристалл более устойчив к циклическим температурным нагрузкам, именно в описываемом двигателе может быть установлена форсунка 19 для впрыска в камеру сгорания 7 воды, что позволит более полно использовать тепло газов особенно в адиабатном двигателе, а также еще более снизить токсичность отработавших газов. Выполнение силовой втулки 6 именно из металлокерамики, обладающей коэффициентом линейного расширения, близким по значению к коэффициенту монокристалла, позволяет напрессовывать ее на рабочий цилиндр 1 для создания предварительного напряжения обратного знака для лучшей работы рабочего цилиндра 1 на растяжение при сгорании. Керамическая втулка 6 выполняет также роль дополнительного теплоизоляционного слоя, а полировка внутренней ее поверхности, а также внутренней поверхности пластины 8 позволит уменьшить потери лучистой составляющей тепла горящих газов. Для этой же цели служит и отражающее покрытие 11 поршня 3. Предварительно стягивание рабочего цилиндра 1 шпильками 10 в осевом направлении также позволяет улучшить работу материала рабочего цилиндра 1 при максимальных давлениях сгорания. Выполнение связи поршня 3 с выходным валом (не показан) в виде штока 12 позволит упростить узел связи с ним поршня 3 за счет, например, их склеивания (шток также может быть выполнен из монокристалла), а также - воспринимать совместно с пластиной 9, в отверстие которой он установлен, различные боковые нагрузки, возникающие в механизме преобразования движения. Выполнение впускного патрубка 5, а также и выпускного (не показан) в виде втулки 15 с конусной частью 16 позволит закрепить его на двигателе, а также дополнительно скрепить пластину 8 с головкой 2 между собой. При этом седло клапана 18 за счет такого выполнения патрубка 5 может быть сменным. Таким образом, описанное выше выполнение адиабатного двигателя позволит повысить его надежность за счет увеличения ресурса теплоизоляционного покрытия, при одновременном снижении токсичности отработавших газов за счет возможности установки в его камере сгорания водяной форсунки и отсутствия смазки между трущимися деталями цилиндропоршневой группы.
1. АДИАБАТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере один рабочий цилиндр с головкой, расположенный в нем поршень с днищем, связанный с выходным валом, впускной патрубок, соединенный с головкой, и по меньшей мере одну силовую втулку, установленную вокруг рабочего цилиндра соосно с ним, причем рабочий цилиндр, его головка и днище поршня, образующие камеру сгорания, выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, он снабжен двумя пластинами, цилиндр, головка и днище поршня выполнены из монокристалла, силовая втулка выполнена из металлокерамики с коэффициентом теплопроводности, равным или близким по значению коэффициенту теплопроводности рабочего цилиндра, рабочий цилиндр с головкой установлен своими торцами между пластинами, стянутыми шпильками, на внутренней поверхности поршня выполнено отражающее покрытие, а поверхность пластины, контактирующая с головкой, выполнена полированной. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в камере сгорания установлена водяная форсунка. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что цилиндр, его головка и днище поршня выполнены из монокристалла лейкосапфира. 4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что поршень выполнен в виде сплошного цилиндра и связан с выходным валом при помощи штока, расположенного в отверстии одной из пластин. 5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что отражающее покрытие поршня выполнено в виде диска, диаметр которого не более диаметра поршня, причем поверхность диска, контактирующая в поверхностью поршня, выполнена полированной. 6. Двигатель по пп.1 - 5, отличающийся тем, что отражающее покрытие поршня выполнено из напыленного на его поверхность металла. 7. Двигатель по пп.1-6, отличающийся тем, что цилиндр установлен в силовой втулке с натягом. 8. Двигатель по пп.1-7, отличающийся тем, что головка скреплена с цилиндром, например, путем их склеивания. 9. Двигатель по пп.1-8, отличающийся тем, что впускной патрубок выполнен в виде втулки с конусной частью, размещенной в соосных отверстиях головки и пластины, причем отверстие в головке выполнено конусным с увеличением диаметра отверстия в сторону камеры сгорания, на наружной поверхности втулки выполнена резьба, на которую навернута стяжная гайка, внутренняя конусная часть патрубка контактирует с посадочной поверхностью клапана, а внешняя конусная часть - с конусным отверстием головки цилиндра.
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 24-2000
Извещение опубликовано: 27.08.2000
bankpatentov.ru
www.freepatent.ru
Чтобы построить тепловую машину, которая может выполнять работу за счет использования теплоты, необходимо создать определенные условия. Прежде всего, тепловая машина должная работать в циклическом режиме, где ряд последовательных термодинамических процессов создают цикл. В результате совершения цикла газ, заключенный в цилиндр с подвижным поршнем, совершает работу. Но одного цикла для периодически действующей машины мало, она должна выполнять циклы раз за разом в течение определенного времени. Суммарная работа, выполненная в течение заданного времени в реальности, деленная на время дает еще одно важное понятие – мощность.
В середине XIX века были созданы первые тепловые машины. Они производили работу, но затрачивали большое количество теплоты, получаемой при сгорании топлива. Именно тогда физики-теоретики задались вопросами: «Как газ работает в тепловой машине? Как получить максимум работы при минимуме использования топлива?»
Чтобы выполнить анализ работы газом, понадобилось ввести целую систему определений и понятий. Совокупность всех определений и создала целое научное направление, получившее название: «Техническая термодинамика». В термодинамике был принят ряд допущений, нисколько не умаляющих основные выводы. Рабочее тело – эфемерный газ (не существующий в природе), который может быть сжат до нулевого объема, молекулы которого не взаимодействуют между собой. В окружающей природе существуют только реальные газы, которые имеют вполне определенные свойства, отличимые от идеального газа.
Чтобы рассматривать модели динамики рабочего тела, были предложены законы термодинамики, описывающие основные термодинамические процессы, такие как:
В период создания первых тепловых машин искали цикл, в котором можно получить самый высокий КПД (коэффициент полезного действия). Сади Карно, исследуя совокупность термодинамических процессов, по наитию пришел к разработке своего цикла, получившим его имя – цикл Карно. В нем последовательно выполняются изотермический, затем адиабатический процесс сжатия. Рабочее тело после выполнения этих процессов обладает запасом внутренней энергии, но цикл еще не завершен, поэтому рабочее тело расширяется и выполняет изотермический процесс расширения. Чтобы закончить цикл и вернуться к исходным параметрам рабочего тела, выполняется адиабатический процесс расширения.
Карно доказал, что КПД в его цикле достигает максимума и зависит только от температур двух изотерм. Чем выше разность между ними, тем, соответственно, выше термический КПД. Попытки создать тепловую машину по циклу Карно так и не увенчались успехом. Это идеальный цикл, который выполнить нельзя. Но он доказал главный принцип второго начала термодинамики о невозможности получения работы, равной затратам тепловой энергии. Был сформулирован ряд определений второму началу (закону) термодинамики, на основании которых Рудольф Клаузиус ввел понятие энтропии. Главный вывод его исследований – энтропия постоянно возрастает, что ведет к тепловой «смерти».
Самым главным достижением Клаузиуса явилось понимание сути адиабатического процесса, при его выполнении энтропия рабочего тела не меняется. Поэтому адиабатический процесс по Клаузиусу – это s=const. Здесь s – это энтропия, которая дает еще одно название процессу, совершаемому без подвода или отвода теплоты, – изоэнтропийный процесс. Ученый занимался поиском такого цикла тепловой машины, где не происходило бы увеличение энтропии. Но, к сожалению, такого он создать не сумел. Поэтому вывел, что тепловая машина не может быть создана вообще.
Но не все исследователи были настроены столь пессимистично. Они искали реальные циклы для тепловых машин. В результате их поисков Николаус Август Отто создал свой цикл тепловой машины, который сегодня реализуется в двигателях, работающих на бензине. Здесь выполняются адиабатический процесс сжатия рабочего тела и изохорный подвод теплоты (сгорание топлива при постоянном объеме), затем появляются адиабата расширения (работа совершается рабочим телом в процессе увеличения его объема) и изохорный отвод теплоты. Первые двигатели внутреннего сгорания по циклу Отто использовали в качестве топлива горючие газы. Много позже были придуманы карбюраторы, которые стали создавать бензовоздушные смеси воздуха с парами бензина и подавать их в цилиндр двигателя.
В цикле Отто сжимается горючая смесь, поэтому величина сжатия ее сравнительно небольшая – горючая смесь имеет склонность детонировать (взрываться при достижении критических давлений и температур). Поэтому работа при адиабатическом процессе сжатия сравнительно невелика. Здесь введено еще одно понятие: степень сжатия – отношение полного объема к объему сжатия.
Поиск путей увеличения эффективности использования энергии топлива продолжался. Увеличение КПД видели в повышении степени сжатия. Рудольф Дизель разработал свой цикл, в котором подвод теплоты осуществляется при постоянном давлении (в изобарном процессе). Его цикл лег в основу двигателей, использующих дизельное топливо (его еще называют соляркой). В цикле Дизеля сжимается не горючая смесь, а воздух. Поэтому говорят, что совершается работа в адиабатическом процессе. Температура и давление в конце сжатия высоки, поэтому через форсунки осуществляется впрыск топлива. Оно перемешивается с горячим воздухом, образует горючую смесь. Она сгорает, при этом увеличивается внутренняя энергия рабочего тела. Далее расширение газа идет по адиабате, совершается рабочий ход.
Попытка реализовать цикл Дизеля в тепловых машинах не удалась, поэтому Густав Тринклер создал комбинированный цикл Тринклера. Его и используют в сегодняшних дизельных двигателях. В цикле Тринклера теплота подводится по изохоре, а потом по изобаре. Только после этого выполняется адиабатический процесс расширения рабочего тела.
По аналогии с поршневыми тепловыми машинами работают и турбинные. Но в них процесс отвода теплоты по завершении полезного адиабатического расширения газа выполняется по изобаре. На самолетах с газотурбинным и турбовинтовым двигателями адиабатический процесс совершается дважды: при сжатии и расширении.
Чтобы обосновать все основополагающие понятия адиабатического процесса, были предложены расчетные формулы. Здесь фигурирует важная величина, получившая название показатель адиабаты. Его значение для двухатомного газа (кислород и азот – это основные двухатомные газы, имеющиеся в воздухе) равно 1,4. Для расчета показателя адиабаты используются еще две интересные характеристики, а именно: изобарная и изохорная теплоемкости рабочего тела. Отношение их k=Cp/Cv – и есть показатель адиабаты.
Почему в теоретических циклах тепловых машин используется адиабатический процесс? На самом деле выполняются политропные процессы, но из-за того, что они происходят с высокой скоростью, принято предполагать отсутствие теплообмена с окружающей средой.
90% электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях. В них в качестве рабочего тела используется водяной пар. Его получают при кипении воды. Чтобы повысить рабочий потенциал пара, его перегревают. Затем при высоком давлении перегретый пар подается на паровую турбину. Здесь также совершается адиабатический процесс расширения пара. Турбина получает вращение, его передают на электрогенератор. Тот, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию для потребителей. Паровые турбины работают по циклу Ренкина. В идеале повышение эффективности также связано с увеличением температуры и давления водяного пара.
Как видно из изложенного, адиабатный процесс является весьма распространенным в производстве механической и электрической энергий.
fb.ru
При изохорном процессе объем газа не меняется и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии равно количеству переданной теплоты:
При изотермическом процессе внутренняя энергия идеального газа не меняется. Все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы:
При изобарном процессе передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение работы при постоянном давлении.
Адиабатный процесс – процесс в теплоизолированной системе. Следовательно, изменение внутренней энергии при адиабатном процессе происходит только за счет совершении работы:
Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, а его температура повышается.
При адиабатном расширении газ совершает работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается.
Тепловым двигателем называется двигатель, который производит механическую работу за счет энергии, выделившейся при сгорании топлива. Некоторые виды тепловых двигателей:
паровая машина;
паровая турбина;
двигатель внутреннего сгорания;
реактивный двигатель.
Физические основы работы всех тепловых двигателей одинаковы. Тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника.
Процесс работы теплового двигателя: Рабочее тело приводят в контакт с нагревателем (
- высокая), поэтому рабочее тело получает от нагревателя
. За счет этого количества теплоты рабочее тело совершает механическую работу. Затем рабочее тело приводят в контакт с холодильником (
- низкая), поэтому рабочее тело отдает тепло холодильнику. Таким образом возвращается в исходное состояние. Теперь рабочее тело приводят в контакт с нагревателем и все происходит сначала. Следовательно, тепловая машина – периодического действия, то есть в этой машине тело совершает замкнутый процесс – цикл. За каждый цикл рабочее тело совершает работу
.
или 
КПД принято выражать в процентах: 
В начале XIX века французский инженер Сади Карно исследовал пути повышения КПД тепловых двигателей. Он придумал цикл, который должен совершать идеальный газ в некоторой тепловой машине, такой, что при этом получается максимально возможный КПД. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат.
Идеальный газ приводят в контакт с нагревателем и предоставляют ему возможность расширяться изотермически, то есть при температуре нагревателя. Когда расширившийся газ перейдет в состояние 2, его теплоизолируют от нагревателя и дают ему возможность расширяться адиабатически, то есть газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии. Расширяясь адиабатически газ охлаждается до тех пор, пока его температура не будет равна температуре холодильника (состояние 3). Теперь газ приводят в контакт с холодильником сжимают изотермически. Газ отдает холодильнику 
. Газ переходит в состояние 4. Затем газ теплоизолируют от холодильника и сжимают адиабатически. При этом температура газа увеличивается и достигает температуры нагревателя. Процесс повторяется сначала.
(*) - формула для расчета КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно с идеальным газом.
Карно показал, что КПД любой другой тепловой машины (то есть с другим рабочим телом или работающей по другому циклу) будет меньше, чем КПД цикла Карно. На практике не используют машины, работающие по циклу Карно, но формула (*) позволяет определить максимальный КПД при заданных температурах нагревателя и холодильника.
Очевидно, что для увеличения КПД нужно понижать температуру холодильника и повышать температуру нагревателя. Понижать температуру холодильника искусственно невыгодно, так как это требует дополнительных затрат энергии. Повышать температуру нагревателя можно тоже до определенного предела, так как различные материалы обладают различной жаропрочностью при высоких температурах. Однако формула Карно показала, что существуют неиспользованные резервы повышения КПД, так как практический КПД очень сильно отличается от КПД цикла Карно.
studfiles.net
обозначает наклон профилированной поверхности, отвечающей за изменение положений ВМТ и НМТ поршня 6 в зависимости от вида топлива, а угол 
обозначает наклон профилированной поверхности, отвечающей за изменение положений ВМТ и НМТ поршня 6 в зависимости от нагрузки двигателя. Профилированная поверхность кулачка 17 привода оси 10 качания маятникового рычага 9, связанного с шарниром 11 сочлененного шатуна 7 поршня 6 расширительного цилиндра 3, выполнена с возможностью перемещения дополнительного рычага 18 для изменения положения верхней мертвой точки поршня 6 и его остановки в верхней мертвой точке во время сгорания топлива. Способ работы адиабатного двигателя внутреннего сгорания со сгоранием при постоянном объеме заключается во впуске рабочего заряда в нагнетательный цилиндр 2 двигателя (фиг. 3, 4), сжатии заряда в нагнетательном цилиндре 2 (фиг. 5) и перепуске сжатого заряда из камеры сжатия 16 нагнетательного цилиндра 2 по перепускному каналу 15 в теплоизолированную камеру сгорания 5 (фиг. 6) расширительного цилиндра 3, где происходит сгорание топлива при постоянном объеме. Сгорание топлива осуществляют при остановке поршня 6 расширительного цилиндра 3 в верхней мертвой точке. В зависимости от вида используемого топлива и нагрузки на двигатель осуществляют регулирование степени сжатия и объема камеры сжатия 16 нагнетательного цилиндра 2 и объема камеры сгорания 5 расширительного цилиндра 3 изменением положения верхних мертвых точек поршней 6 нагнетательного и расширительного цилиндров 2 и 3. Для этого шарниры 11 сочлененных шатунов 7 смещают от осей О - О цилиндров 2 и 3 или к осям О - О этих цилиндров при движении поршней 6 к верхним мертвым точкам путем смещения осей качания 10 маятниковых рычагов 9 и их последующей фиксации. Смещение верхних мертвых точек поршня 6 нагнетательного цилиндра 2 показано на фиг. 4, 5, где показано смещение осей 10 качания маятниковых рычагов, например, из точки "а" в точку "b" и наоборот. В результате чего поршни 6 занимают заранее выбранное положение ВМТ, например BMТ1 или ВМТ2. Остановку поршня 6 расширительного цилиндра 3 в заранее выбранном положении ВМТ, например ВМТ2, обеспечивают смещением шарнира 11 сочлененного шатуна 7 к оси О - О цилиндра 3 путем перемещения оси 10 качания маятникового рычага 9, например, из точки "а" в точку "b" (фиг. 3) в течение всего времени сгорания топлива. Расширение продуктов сгорания (фиг. 4) и выпуск отработавших газов (фиг. 5) происходят в расширительном цилиндре 3. В конце выпуска отработавших газов положение верхней мертвой точки поршня 6 расширительного цилиндра 3 переносят в крайнее верхнее положение, для чего осуществляют смещение шарнира 11 сочлененного шатуна 7 на ось O - O цилиндра 3 путем перемещения оси 10 качания маятникового рычага 9 и ее последующей фиксации, тем самым обеспечивается более полная очистка расширительного цилиндра 3 от отработавших газов. Смещение осей 10 качания маятниковых рычагов 9 осуществляется воздействием на нее дополнительного рычага 18, который в свою очередь перемещается под действием профилированной поверхности кулачка 17. Пружина 19 осуществляет поджатие оси 10 к дополнительному рычагу 18. Кулачки 17 получают вращение от коленчатого вала 8 через кинематическую связь в виде зубчато-цепной или шестеренчатой передачи. Боковая профилированная поверхность кулачка 17 привода оси 10 качания маятникового рычага 9, связанного с сочлененным шатуном 7 поршня 6 нагнетательного цилиндра 2, участком профилированной поверхности с углом 1 (фиг.7) формирует воздействие на дополнительный рычаг 18 для смещения шарнира 11, а значит и положений мертвых точек поршня 6 (хода поршня и степени сжатия) в зависимости от вида используемого топлива, а участком поверхности с углом формирует воздействие на дополнительный рычаг 18 для смещения положений мертвых точек поршня 6 (хода поршня) в зависимости от нагрузки на двигатель. www.freepatent.ru
.jpg)
