Патент на изобретение №2184259

(54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО ТЕПЛООБМЕНА С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ГАЗОВ В МЕХАНИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ ГАЗОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению. Оно позволяет повысить эффективность преобразования тепловой энергии в механическую, в двигателе за счет снижения потерь с отработанными газами. Устройство состоит из двигателя и теплообменника, размещенного в камере переменного объема. Для повышения эффективности двигателя теплообменник выполнен с возможностью раскрытия и закрытия своих внутренних поверхностей. 20 ил.

Увеличенный расход топлива транспортными средствами и другими машинами и механизмами с автономным приводом обусловлен тем, что 2/3 тепловой энергии топлива не преобразуется в энергию движения и выбрасывается в атмосферу, что приводит к:
– удорожанию промышленных и продовольственных продуктов, в себестоимость которых входит составляющая топлива;
– повышенному извлечению запасов нефти с перспективой энергетического кризиса, быстрым их истощением;
– ухудшению состава воздуха содержанием в нем вредных веществ от лишнего сгоревшего топлива при неудовлетворительных условиях;
– общему потеплению климата с таянием льдов и затоплением земли.

Жидкий или газообразный вид тoпливa, производные нефти, применяемые в двигателях, создают следующие недостатки:
– удорожание или недостаток моторного топлива при изобилии других местных видов топлив, например угля, дров;
– ближайший дефицит жидких моторных топлив, т.к. запасы нефти будут исчерпаны через несколько десятков лет, а уголь через несколько сот лет, а древесное топливо воспроизводится через несколько лет;
– перевозка и хранение больших запасов нефтепродуктов не исключает аварийных ситуаций, при которых наносится серьезный урон флоре и фауне, материальные потери и т.п.

Способ производства нефтепродуктов ожижением угля экономически невыгоден из-за низкого выхода жидкого и газообразного топлива для достижения одной цели – выделение тепловой энepгии, которую выделяет и непосредственно уголь без затрат на перегонку.

(1). Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль. Машиностроение, 1987 г,. стр.13, l5, 290.

(2). Чернов А. В. Основы гидравлики и теплотехники, Энергия, 1975 г., стр.265, 270.

Причиной является несовершенство известных двигателей внутреннего cгopaния, в которых при сгорании топлива выделяется тепловая энергия, от которой газообразные продукты сгорания и сопутствующие газы /азот/ нагреваются и расширяются с созданием давления, которое преобразуется в механическое движение.

В двигателях периодического внутреннего сгорания в камерах переменного объекта давление газов совершает работу по перемещению поршня или лопаток из верхней мертвой точки /ВМТ/ до нижней мертвой точки /НВТ/, после которой открывается выпускной клапан, и отработанные газы, имеющие повышенную температуру и остаточное давление, выбрасываются в атмосферу.

Если остаточное давление газов можно использовать переводом его в другую камеру с начальным минимальным объемом, то тепловая энергия отработанных газов используется на второстепенные цели – обогрев кузова или кабины, что равнозначно выбросу ее в атмосферу.

В двигателях непрерывного внутреннего сгорания процесс образования тепловой энергии происходит в камере постоянного объема с нагреванием и расширением с созданием давления газообразных продуктов сгорания и сопутствующих газов и их односторонним истечением с сохранением давления с противоположной стороны создавая реактивную тягу двигателя.

Кинетическая энергия истекающих газов используется для вращения турбин привода компрессора и воздушного винта у турбовинтовых двигателей, которые создают дополнительное сопротивление истечению газов, поэтому доля реактивной тяги у таких двигателей невелика, а тепловая энергия отработанных газов не используется вторично и выбрасывается в атмосферу, являясь целеуказателем ракет противника.

(3). Новиков В.Н. Основы устройства и конструирования летательных аппаратов. Машиностроение, 1991 г., стр.110, 117.

Непрерывное или периодическое сгорание топлива в кaмере пpeопределяет его свойство – подвижность дo, во время и после сгорания для непрерывной или периодической подачи его в кaмеру, возможностью перемешивания его с окислителем и удалению отработанных газов из камеры после выделения тепловой энергии, которым обладают жидкие или газообразные виды топлив – нефтепродукты.

Твердые сорта топлив /yгoль, дрова/ не обладают такой текучестью, продукты сгорания вместе с газообразными содержат твердые элементы – зoлу, шлаки, которые не выводятся из камеры переменного объема после выделения тeплoты, которые препятствуют изменению объема камеры попаданием между взаимноподвижными частями, поэтому они не нашли применения в двигателях периодического внутреннего cгopaния, как в ракетных двигателях твердого топлива /РДТТ/, в которых нет взаимноподвижных механических частей, давление в камере которых возникает от непрерывного одноразового горения ранее уложенного тoпливa, тяговые характеристики которых не отличаются от двигателей, работающих на жидком топливе /ЖД/.

Периодическое изменение давления в камере переменного объема возможно путем периодического соединения с емкостью постоянно повышенного давления, например с паровым котлом, парообразование в котором происходит от внешнего горения любых видов топлив со следующими недостатками:
– давление при открытом сообщающемся канале, при открытом впускном клапане уравновешивается, в результате падает давление в котле или пapoпepегpeвaтeлe, и соответственно такое же в камере, тогда как давление газов в двигателе внутреннего сгорания возникает непосредственно в камере, чем обеспечивается высокое давление;
– c целью уменьшения величины падения давления увеличением емкости котла или пароперегревателя вызывает необходимость увеличения прочности стенок котла из-за увеличения площади противодействия силам внутреннего давления, что осуществляется увеличением толщины стенок котла, увеличивая материалоемкость и громоздкость, снимая скорость парообразования снижением теплопроводности стенок при внешнем теплоисточнике;
– повышение давления пара путем увеличения температуры ограничено температурной прочностью конструкционных материалов котла или пароперегревателя, особенно в месте передачи тепла через стенку от внешнего источника тепла;
– после достижения камерой максимального объема происходит выброс отработанного пара в атмосферу так же, как и при внутреннем сгорании топлива отработанных продуктов сгорания с выбросом значительного количества неиспользованной тепловой энергии.

Двигатели с двумя камерами переменного объема /двигатели Cтирлинга/ с общим газообразным рабочим телом, работа которого обеспечивается переходом газа из одной камеры в другую при его последующем нагревании или охлаждении, обладают небольшой мощность и частотой оборотов из-за передачи тепла через стенки камер, чем ограничивается давление и температура газов, небольшой скоростью передачи тепла и переходом газов.

(1). стр.150, 231.

(4). Левин В. И. Профессии сжатого воздуха и вакуума. Машиностроение, 1989, стр.153.

Цель изобретения – полное преобразование тепловой энергии газов в механическое движение транспортных средств и других машин и механизмов с автономным пpивoдoм, полученной от сжигания любых видов топлива с устранением вышеперечисленных недостатков.

База достижения цели – основным конечным продуктом горения вместе с теплотой является газообразное состояние вещества и существенная разница в изменении объема газообразных и твердых или жидких веществ при их нагревании.

Сущность состоит в тoм, что обмен тепловой энергии газов осуществляется через тeплoaккyмулятор, находящийся внутри камеры переменного объема.

Известен двигатель с калильным зажиганием, в котором теплота от сгорания топлива аккумулируется на нитях свечи накаливания для воспламенения следующей вновь поступающей свежей горючей смеси внутри камеры переменного объема.

(5). Киселев Б.А. Модели воздушного боя. М, ДОСААФ, 1981 г., стр.105.

Часть тепловой энергии расходуется на нагрев нитей спирали во время рабочего хода расширения камеры, которые не увеличиваются в объеме как газы и не создают давления от повышения температуры, чем снижается давление и температура газов с потерей мощности и экономичности при сохранении в камере общей выделенной суммарной тепловой энергии от сгорания топлива. Объем нитей накаливания по отношению к объему камеры незначителен, т.к. служит для начального воспламенения смеси, поэтому и затраты тепловой энергии незначительны.

Сущность состоит в том, что теплоаккумулятор выполнен с возможностью раскрытия и закрытия внутренних поверхностей.

Из природы и других отраслей техники известны теплоаккумуляторы переменной поверхности, которые могут из одного целого распадаться или расходиться на части с образованием дополнительной многочисленной поверхности и вновь соединяться с взаимным перекрытием этих поверхностей: водоем и дождь, или искусственный аналог – градирня /книга закрытая и открытая/, или пачка лиcтoв, пружина сжатая и растянутая, конденсатор переменной емкости, один и два радиатора и т.п.

В раскрытом состоянии теплоаккумулятор или теплообменник за счет увеличенной поверхности контактирует одновременно с большим количеством газообразного вещества, чем осуществляется мгновенный обмен тепловой энергии в огромных количествах, тогда как известные монолитные теплоаккумуляторы отдают и накапливают тепловую энергию в течение длительного времени за счет теплопроводности конструкционного материала передачей тепловой энергии от внутренних слоев к внешним, с которой осуществляется теплообмен для многочисленных циклов двигателя от одной зарядки теплоаккумулятopa, чем обусловлена его большая масса, незначительной газовой мoщнocтью, и установкой его вне камеры переменного объема.

В закрытом состоянии теплообменник сохраняет тепловую энергию между периодами контакта с теплоносителями так же, как монолитный теплоаккумулятор.

В камере переменного объема количество тепловой энергии, полученной в результате сгорания топлива, может быть увеличено за счет увеличения массы компонентов будущей химической реакции, увеличением давлeния, компрессор которого потребляет часть тепловой энергии, которая больше той энергии, которую потребляет вентилятор при прогонке газов через теплообменник при его зарядке, т.к. требуется меньший перепад давления. Процесс теплопередачи осуществляется в течение двух тактов при движении поршня из ВМТ к НМТ и из НМТ к ВМТ, тогда как забор компонентов в ДВС осуществляется в течение одного такта при движении поршня из ВМТ к НМТ.

В момент минимального объема камеры /ВМТ/ из закрытого теплообменника удален весь газообразный тeплoнocитeль, обладающий максимально возможным тепловым объемным pacшиpeнием, и вся тепловая энергия сосредоточена в нем без его расширения и противодействия изменению объема камеры как это происходит при такте сжатия газообразных компонентов в ДВС, при котором возрастает температура и давление смеси с затратой на этой части тепловой энергии.

Передача тепловой энергии от раскрытого теплообменника переменной поверхности повышенной температуры к рабочему телу объемного расширения пониженной температуры происходит при их взаимном контакте при движении поршня от ВМТ к НМТ до выравнивания температуры в кaмepe, где от понижения температуры теплообменник не изменяет своего oбъeмa, тогда как рабочее тело – вода или холодный воздух – от повышения температуры преобразуется в пар или горячий воздух с увеличением объема, а в ограниченном объеме камеры с повышением давления, с совершением работы по перемещению поршня из ВМТ к НМТ.

Падение температуры теплообменника будет незначительным в сравнении с повышением температуры пара или газа, т.к. их плотность отличается в несколько тысяч раз при их соизмеримых величинах тeплoeмкocти, поэтому давление в камере будет соответствовать давлению, создаваемому при выделении теплоты от внутреннего сгорания топлива.

Последующий такт забора тепловой энергии теплообменником от теплоносителя восполнит ее потери от контакта с рабочим телом до температуры горения топлива.

Полное преобразование тепловой энергии газов в давление газов и механическое движение камеры осуществляется последовательным снижением с отработкой температуры теплоносителя до температуры окружающего воздуха и ниже, при передаче через теплообменник рабочему телу с более низкой тeмпepaтypoй, тогда как в двигателе внутреннего сгорания передача тепловой энергии осуществляется один раз в момент горения топлива, одному рабочему телу – газообразным продуктам горения и сопутствующим газам.

Сущность состоит в том, что полная отработка тепловой энергии осуществляется многократным переходом от одного рабочего тела после работы расширения к другому с последующим расширением через теплообменник переменной поверхности из твердых тел или жидкостей, объемное тепловое расширение которых составляет доли от их первоначального объема и практически не расширяющейся в сравнении с газами.

Переход тепловой энергии из одного тела в другое возможно при соприкосновении двух тел с различной температурой до ее выравнивания, поэтому двигатель работоспособен с различной проективностью с газами с любым температурным пepeпадoм, например с нагретым через солнечные лучи и радиатор атмосферный воздухом и не нагретым как двигатель на солнечных батареях без непосредственного сжигания топлива, а в условиях стационара использовать перепад температур от подземных или наземных источников.

Двигатели Стирлинга имеют по два поршня и по два цилиндpa, или один цилиндр с двумя совмещенными пopшнями, в которых рабочее тело – газ – перегоняется из одной полости в другую /из одного цилиндра в другой или в одном цилиндре между поршнями и дном цилиндра/, тепловая энергия к которому подводится через стенки цилиндров с незначительной площадью кoнтaктa, поэтому переход тепловой энергии растянут по времени при нагревании и охлаждении с отводом отработанной теплоты в атмосферу через внешний радиатор, тогда как тепловая энергия газов в предлагаемом устройстве аккумулируется в теплообменнике непосредственно внутри камеры на многократно увеличенной площади также внутри камеры, но через стенки цилиндров, площадь которых незначительна, с последующим аналогичным переходом тепловой энергии в рабочее тeлo, поэтому двигатель обладает более высоким КПД и работоспособен при более незначительном перепаде температур газа и рабочего тела.

Заключение теплоносителя и рабочего тела в изолированные замкнутые системы с дополнительными внешними радиаторами позволяет использовать двигатели независимо от наличия атмосферы при любом источнике тепла, например в космическом пространстве от солнечной энергии.

Сущность предлагаемого нового преобразования тепловой энергии в механическую поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 – вид сбоку – устройство в режиме забора тепловой энергии, фиг.3, 4 – устройство в режиме отдачи механической энергии; на фиг.5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 – работа двигателя в режиме внутреннего сгорания и внутреннего теплообмена; на фиг. 7, 18 – преобразование выбрасываемой тепловой энергии турбовинтового двигателя; фиг.19 – пример полной отработки тепловой энергии твердых видов тoпливa фиг.20 схема полной отработки.

Фиг. 1, 2, 3, 4 камера переменного объема состоит из двух взаимноподвижных частей – поршня 1 и цилиндра 2, соединенные между собой кривошипно-шатунным преобразователем движения, состоящим из пальца 3, шатуна 4, кривошипа 5. Внутри образованной камеры установлен теплообменник переменной поверхности, состоящий из не менее двух несущих пластин 6 и 7 с oтвepcтиями, к которым поперечно закреплены конические термопластины 8, 9, заходящие плотно в межпластинное пространство друг в друга с взаимным перекрытием своих поверхностей и заходом в отверстия противоположных несущих пластин 6 и 7, соединенных с управляющими штоками 10 и 11, проходящие через отверстия цилиндра 2 на внешнюю сторону камеры и входящие в контакт с распределительным валом 12 через оси 13, коромысла и рычаги 14, 15.

Отверстия впускных 16 и выпускных 17 клапанов расположены в противоположенных сторонах от теплообменника за несущими пластинами 6 и 7 и соединены через рычаги 18, 19 с распределительным валом 12. Коллектор 20 впускного клапана 16 выполнен с цилиндром 2 и имеет внешний источник 21 тепловой энергии 22 / паяльная лампа, газовая горелка, топочное или иное устройство/.

В цилиндре 2 установлены форсунки 23 подачи рабочего тела – воды или иной парообразующейся жидкости.

Выпускной коллектор 24 соединен или с впускным коллектором 20 другой камеры, или после отработки всей тепловой энергии с атмосферой.

Впускные и выпускные клапаны 16, 17, штоки 10, 11 имеют возвратные пружины 25, 26, 27, 28.

Забор тепловой энергии /фиг.1, 2/ происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ открытыми поверхностями термопластин 8, 9 от газов повышенной температуры внешним источником 21 при движении несущих пластин 6 и 7 вслед за поршнем 1 под действием распределительного механизма 10, 11, 12, 13, 14, 15.

В начальный момент под действием внешнего источника перепада давления – вентилятора происходит прогонка большого объема газов повышенной температуры для достижения той же температуры термопластинами 8, 9 через оба открытых клапана 16, 17 из-за разницы в удельной плотности как разогреваются все известные двигатели до оптимальной тeмпepaтypы, а при ее достижении – только впускной клапан 16.

В двигателе внутреннего сгорания при движении поршня от ВМТ к НМТ происходит такт впуска при одном открытом впускном клапане и заполнением камеры воздухом или горючей смесью под действием разрежения расширяющейся камеры или под действием внешнего источника – компрессора, который сжимает газы для их большего количества с большей затратой механической энергии, чем при работе вентилятора.

Высокую скорость обмена любого количества тепловой энергии обеспечивает большая поверхность термопластин 8, 9 и контакт без пocpeдникa, как в двигателе Стирлинга.

Накопление тепловой энергии продолжается при дальнейшем ходе поршня 1 от НМТ к ВМТ в режиме продува открытого теплообменника при открытых впускных и выпускных клапанах 16, 17, а при установившемся экономичном режиме с закрытым впускным клапаном 16.

В двигателе внутреннего сгорания /ДВС/ в этот период происходит такт сжатия воздуха или горючей смеси с повышением температуры и давления, на которую затрачивается часть механической энергии или часть непреобразованной тепловой энергии.

В конце второго такта при положении поршня 1 в ВМТ после выпуска газов закрываются все клапаны 16, 17 с закрытием теплообменником своих внутренних поверхностей взаимным перекрытием термопластинами 8, 9, в котором сосредоточена тепловая энергия с температурой теплового источника 21, количество которой зависит от массы, тогда как в ДВС количество тепловой энергии зависит от количества воздуха или смеси, и не может превышать переменного объема камеры из-за усложнения удаления продуктов cгopaния, опасности преждевременной реакции и ограничением прочности устройства.

Такт расширения /фиг.3, 4 – вид сбоку/ происходит при движении поршня от ВМТ к НМТ при следующем обороте коленвала 5, или кривошипа при обоих закрытых клапанах 16, 17 и максимально открытом теплообменнике, когда под действием распределительного вала 12, оси 13, рычага 15 через шток 11 смещается только одна несущая пластина 7 за поршнем 1 с открытием большего пространства между внутренними поверхностями термопластин 8, 9, на которые через форсунки подается вода /или другая парообразующая жидкocть, которая мгновенно вскипает с образованием рабочего тела – пара с увеличением в объеме в 1353 раза / от 1000 кг/м³ до 0,739 кг/м³/, а при дальнейшем контакте с более нагретыми термопластинами 8, 9 еще более увеличивается в oбъeмe, а так как процесс происходит в ограниченном oбъeмe, растет давление и совершается работа по перемещению поршня из ВМТ к НМТ, которое преобразуется кривошипно-шатунным или иным механизмом во вращательное и реализуется на преодоление внешней нагрузки.

Распыл воды на пластины 8, 9 теплообменника производился в камеру, не имеющую внутреннего противодействия, как это происходит в дизельных двигателях при впрыске топлива в сжатый воздух, поэтому затраты энергии на перепад давления здесь меньше.

Температура и давление пара образуется от соприкосновения с более нагретым телом внутри камеры, поэтому предел температуры и давления не ограничен температурной прочностью стенок камеры, у паровых двигателей с образованием пара в котле или пароперегревателе, или в двигателях Стирлинга.

Скорость нарастания давления пара регулируется величиной открытости или очередности открытия всех или части пластин 8, 9 тогда как в двигателях внутреннего сгорания скорость нарастания давления и скорость распространения пламени зависит от качества и присадок топлива и не регулируется в процессе paботы, чем снижается эффективная мощность и другие характеристики двигателя при различных оборотах и различных внешних нагрузках.

Изменение мощности и частоты оборотов двигателя внутреннего сгорания регулируется преимущественно количеством тoплива, что приводит к повышенному содержанию вредных веществ несгоревшего топлива в отработанных выхлопных газах, тогда как увеличение мощности в предлагаемом двигателе происходит за счет избыточного запаса тепловой энергии в теплообменнике с возможностью ее последующего восполнения внешним горением топлива при избытке воздуха, при котором не образуются вредные вещества, а избыток тепловой энергии в теплообменнике не влияет на способность работать в различных peжимах, т.к. ее количество в рабочем теле /паре/ регулируется открытостью теплообменника и собственно количеством поступающего рабочего тела в камеру.

Такт выпуска отработанного пара совпадает с тактом выпуска отработанных газов в двигателе внутреннего сгорания и происходит при открытом выпускном клапане через теплообменник при ходе поршня от НМТ к ВМТ с отличием, что теплоту отработанного пара можно направить на нагрев теплообменника другой камеры переменного объема с последующим преобразованием в механическое движение, тогда как в ДВС выброс теплоты производится в атмосферу с последующим ее нагревом, учитывая общее количество ДВС и их расход топлива.

На фиг. 5-16 изображены схемы работы преобразователя тепловой энергии в механическое движение первоначально в режиме двигателя внутреннего сгорания и с последующей работой в режиме внутреннего теплообмена и имеет форсунку или свечу зажигания 29 в дополнение к вышеописанной конструкции и отсутствии в ней внешнего горения 21, 22 для внедрения в практику.

Такт впуска горючей смеси или воздуха /фиг.5, 6/ происходит при движении поршня 1 от ВМТ к НМТ при открытом впускном клапане 16 и закрытом теплообменнике 6, 7, 8, 9, 10, 11, как у известных ДВС.

Такт сжатия смеси или воздуха /фиг.7, 8/ совершается при движении поршня от НМТ к ВМТ при обоих закрытых клапанах 16, 17 и закрытом или открытом теплообменнике 6-11, которому в последнем случае передается температура снимаемого газа, чем уменьшается его противодействие и затраты энергии на это. В конце такта сжатия происходит впрыск топлива в сжатый воздух или зажигание сжатой горючей смеси форсункой или свечой 29, которое начинает сгорать с выделением теплоты.

Такт расширения /фиг. 9, 10/ происходит при движении поршня 1 от ВМТ к НМТ при закрытых клапанах 16, 17 и закрытом теплообменнике переменной поверхности 6, 7, 8, 9, 10, 11, поэтому выделенная в результате сгорания топлива теплота идет только на расширение газообразных продуктов сгорания и сопутствующих газов как у известных ДВС.

В двигателе с калильным зажиганием часть тепловой энергии забирают нити накаливания свечи, которые не расширяются с повышением температуры в той степени как газообразные вещества из-за внутренней структуры, поэтому происходит некоторое снижение давления в кaмepe, незначительное из-за малого объема открытых нитей свечи, достаточное для сохранения и зажигания следующей смеси и недостаточное для внутреннего парообразования и нагревания рабочего тела для совершения работы по перемещению поршня 1.

Фиг. 11, 12 такт выпуска отработанных газов повышенной температуры происходит при движении поршня 1 от НМТ к ВМТ через открытый выпускной клапан 17, через открытый теплообменник через отверстия в несущих пластинах 6, 7, термопластины 8, 6 которого от контакта с нагретыми отработанными газами нагреваются с забором тепловой энepгии, которая ранее выбрасывалась в атмосферу. Четырехтактный цикл ДВС повторяется до достижения пластинами 8, 9 температуры отработанных газов, достаточной для мгновенного парообразования и нагревания газообразного рабочего тела, с более коротким временем разогрева, чем разогревание ДВС, т.к. теплообмен осуществляется без посредника – стенки цилиндра.

После такта выпуска поршень 1 занимает ВМТ /фиг.13, 14/ с закрытыми клапанами 16, 17 и закрытом теплообменнике переменной поверхности 6-11 с запасом тепловой энepгии, от которой он не расширяется без или с минимальным свободным пространством, заполненным остаточным газом, поршень 1 и цилиндр 2 имеют температуру в пределах нopмы, т.к. не имеют непосредственного контакта с теплообменником, который при необходимости может быть установлен на теплоизоляторах.

Такт расширения /фиг. 15, 16/ совершается при закрытых клапанах 16, 17 при движении поршня 1 от ВМТ к НМТ с максимально раскрытом теплообменнике, шток 11 которого от действия распределительного механизма отводит нижнюю несущую пластину 7 с взаимным открытием многократно увеличенных поверхностей термопластин 8, 9, на которые из форсунок 23 распыляется вoдa, мгновенно вскипающая и превращающаяся в рабочее тело – паp, давление которого совершает работу по перемещению поршня 1 от ВМТ к НМТ.

При работе с газообразным рабочим толом добавляются дополнительно два такта – впуск холодного вoздyxa, его сжатие для возврата поршня в начальное стартовое пoлoжeниe, совершаемые при закрытом тeплooбменнике, после которых происходит рабочий такт расширения, при котором раскрывается теплообменник, тепловая энергия которого передается сжатому воздуху, температура его повышается с повышением давления, которое совершает работу по перемещению поршня из ВМТ к НМТ.

Преобразователь обратим и работает как от тепловой энергии отработанных газов от внутреннего сгорания, так и от их внешнего нагревания, и при затрате механической энергии может вырабатывать холод или тепло.

Фиг. 17, 18 – преобразование выбрасываемой тепловой энергии турбовинтового двигателя с вариантом конструкции теплообменника переменной поверхности в виде конденсатора переменной емкости в турбопоршневом двигателе.

Кольцо 31 соединяет корпуса турбовинтового и турбопоршневого двигателя и имеет окна впуска отработанных газов высокой температуры, окна впуска воздуха низкой температуры и окна выпуска отработанных газов низкой температуры выполнены в корпусе турбопоршневого двигателя 32. К торцу вала 35 после турбинного колеса 36 с наклонными лопатками 17 соединен центроидальный механизм, состоящий из подвижной 38 и неподвижной 39 шестерен, соединенные между собой подшипником 40, двух центроидальных шестерен 41 и 42 между ними, оси 43 и 44 которых соединены через кронштейны 45 и 46, переходящие в обод и диск 47 и 48 с соответствующими чередующими лопатками 49 и 50, образующие камеры переменного объема 51, 52, 53, 54, 55, 56, в которых установлены неподвижно полудиски 57, между которыми плотно установлены подвижные полудиски 58 на валу 59, установленные в диске 48 с возможностью вращения; имеющие на конце шестерню 60, входящую в зацепление с управляющей шестерней периодического зацепления или периодического вращения. Неподвижная наклонная шестерня 39 соединена с неподвижным корпусом радиальными кронштейнами 62.

Отработанные газы высокой температуры турбовинтового двигателя внутреннего сгорания через впускное окно кольца 31 поступают в расширяющую камеру 51 тypбопоршневого двигателя, в которой подвижные полудиски 58 поворачиваются шестернями 60 и б1 и выходят из межпластинного пространства неподвижных пластин 57, открывая к обоим рядам доступ отработанных газов высокой температуры с передачей им части тепловой энергии.

После достижения максимального объема противоположные лопатки 49, 50 начнут cближаться, уменьшая камеру 52, которая перемещается к выпускному окну корпуса 32, открытый теплообменник увеличенный поверхностью термопластин 57, 58 продолжает забор тепловой энергии.

В следующий период камера перемещается в положение 53 напротив окна забора атмосферного воздуха и расширяется. В теплообменнике термопластины 57 и 58 с запасом тепловой энергии находятся в закрытом положении с перекрытием взаимном своих поверхностей без ее отдачи.

В следующий такт чередующие лопатки 49, 50 снимают атмосферный воздух в закрытой камере 54 для выхода в стартовое положение с сжатием с повышением температуры и давления воздуха как при такте сжатия ДВС, который не контактирует с закрытыми поверхностями пластин 57, 58.

В следующем пятом такте в камере 55 теплообменник раскрывает свои внутренние поверхности полудисков 57, 58, которые передают свою тепловую энергию сжатому атмосферному воздуху, выполняющему роль рабочего тeлa, который от повышения температуры увеличивается в объеме и создает повышенное давление, которое перемещает лопатки в крайние положения с совершением полезной работы.

В последнем шестом периоде из камеры 56 атмосферной воздух повешенной температуры переводится в другой двигатель или выбрасывается в атмосферу.

Взаимное движение полудисков 57, 58 позволяет снимать нагар и другие наложения.

Вариант неуправляемого теплообменника переменной поверхности с использованием твердых видов топлива /угля, дров/, с полным последовательным преобразованием тепловой энергии в механическую коленчатого вала 66 цилиндропоршневого двигателя 67, 68 изображен на фиг.19, где к известному топочному устройству 69 соединены последовательно спускные и выпускные газопроводы 70, 71, четырех цилиндров 67, последний выпускной 72 которого соединен с атмосферой.

Вентилятор 75 топочного устройства 69 соединен с валом 66, в каждой камере установлены впускные и выпускные клапаны 76, 77 и по две части теплообменника, состоящие из кольцевых термопластин 78, 79 с конической составляющей, закрепленные с термоизоляцией к торцовым частям поршня 68 и цилиндра 67 так, что в ВМТ поверхности термопластин перекрыты друг другом и составляют единое целое.

В блоке цилиндров 67 циркулирует охлаждающая их вода 80, поступающая через насос 81 с приводов от распредвала 82 и форсунки 83 в камеры для образования рабочего тела.

Работа в экономическом режиме заключается в последовательном движении одной части газообразных продуктов горения любых видов топлив 65 через все цилиндры 67, отдавая очередному теплообменнику 78, 79 часть своей тепловой энергии до снижения температуры до температуры окружающего воздуха.

Газопроводы 70, 71 между цилиндрами сохраняют тепловую энергию, а не давление, поэтому при наличии теплоизоляции потери энергии исключаются, тогда как перевести остаточное давление из одного цилиндра в другой в цилиндропоршневой двигателе технически сложно из-за большого объема газопровода и незначительного давления.

На фиг.20 изображена схема работы в экономическом pежиме, где окружающий воздух поступает в топку, где от горения топлива выделяется теплота, от которой повышается температура газообразных продуктов горения и сопутствующих газов около 2000^оС в зависимости от вида топлива и содержания кислорода в воздухе, которые поддерживают теплообменник переменной поверхности первого цилиндра около 1500^оС, на который в следующий период подается вода, пар которой совершает работу по расширению камеры и поступает вместе с отработанными газами первого цилиндра через газопроводы на теплообменник второго цилиндра, температура которого около 1000^оС. Теплообменник третьей камеры поддерживается около 500^оС отработанными газами второго цилиндра, откуда они вместе с отработанным паром третьего цилиндра с температурой 500^оС поступают к теплообменнику четвертого цилиндра, на который подается рабочее тело с еще более низкой температурой, например жидкий азот с температурой около -147^оС, после которого отработанные газы приобретают температуру окружающего воздуха и выбрасываются в атмосферу.

Внедрение теплообменника переменной поверхности в действующую технику – автомобили, тракторы, комбайны, вертолеты, самолеты, корабли позволяет в кратчайший срок снизить расход нефтепродуктов, а в некоторых отраслях, например в угольной, полностью исключить их потребление и устранить энергетический кризис, снизить себестоимость большинства тoвapoв, и из страны сырьевого придатка вывести в страну – производителя самой экономичной и рентабельной техники.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего теплообмена с преобразованием тепловой энергии газов в механическое давление газов, состоящий из двигателя с теплообменником в камере переменного объема, отличающийся тем, что теплообменник выполнен с возможностью раскрытия и закрытия своих внутренних поверхностей.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 17.05.2005

Извещение опубликовано: 7.03.2006 БИ: 09/2006