Двигатель

Двигатель

Реферат

 

Сущность изобретения: двигатель содержит компрессор с впускным элементом, внешнюю камеру сгорания, соединенную с компрессором через первый перепускной элемент и имеющую топливную форсунку и источник воспламенения, выполненный с возможностью отключения во время работы, расширитель с выпускным элементом, сообщенный с камерой сгорания через второй перепускной элемент, и рабочие органы, размещенные в компрессоре и расширителе и кинематически связанные с выходным валом, причем компрессор, камера сгорания и расширитель снабжены индивидуальными системами охлаждения, а камера сгорания и расширитель выполнены с объемами, превышающими объем компрессора. Кинематическая связь рабочих органов с выходным валом выполнена в виде планетарного механизма с двумя коническими шестернями, двумя сателлитами и водилом с зубчатым венцом, причем рабочий орган компрессора соединен с одной из конических шестерней, выходной вал - с другой конической шестерней, а рабочий орган расширителя - с зубчатым венцом водила. Каждый рабочий орган может быть выполнен в виде по меньшей мере одной пары лопастей. 11 ил.

Изобретение относится к области тепловых машин, в частности к тепловым двигателям, и может быть использовано в качестве силовой установки любого транспортного средства или стационарного устройства.

Среди технических решений тепловых двигателей известны две основные категории: двигатели, в которых продукты сгорания топливовоздушных смесей выполняют двойную роль, являясь одновременно носителями тепловой энергии и рабочим телом (обычных ДВС), и двигателя, в которых роль продуктов сгорания топливовоздушных смесей сводится к роли источников тепловой энергии, подводимой извне и используемой для нагрева газообразного рабочего тела в замкнутой системе, т. е. двигатели, работающие по циклу Стирлинга и Виллюмера (двигатели внешнего сгорания). Как правило, в качестве рабочего тела используются гелий или водород.

Несмотря на интенсивное развитие и совершенствование конструкции ДВС, результатом чего является повышение их выходных параметров в различных аспектах (литровая мощность и крутящий момент, экономичность, снижение концентрации вредных выбросов, долговечность и др. ), принципиальная схема их остается практически без изменений, а совершенствование осуществляется, как правило, косвенными средствами и методами (электронные системы зажигания, впрыск топлива, нейтрализаторы ОГ и т. д. ), или применяются количественные усовершенствования непринципиального характера (увеличение проходного сечения клапанов, регулирование площади проходного сечения впускного и выпускного трактов, повышение степени сжатия и др. ). Исключение составляют роторно-поршневые двигатели (РПД), хотя и они являются лишь роторно-поршневым вариантом обычных ДВС. Большинство недостатков ДВС является следствием несовершенства принципиальной схемы ДВС, состоящем в том, что весь его рабочий цикл совершается в одном рабочем пространстве (цилиндре или камере, в случае РПД) и распределен во времени с последовательным чередованием тактов.

К основным недостаткам такой схемы относятся: ограничения воспламеняемости смеси по (коэффициент избытка воздуха), а следовательно необходимость в искусственном переобогащении смеси (главным образом ДВС с искровым зажиганием); неполное сгорание смеси из-за скоротечности процесса сгорание-расширение; ограничения применяемых сортов топлива по октановому или цетановому числу, а также видов топлива; нерациональное использование рабочего пространства, исключение из него объема камеры сгорания, не участвующего в процессе расширения (постоянный объем камеры); неполное использование энергии продуктов сгорания из-за недостаточной степени расширения (высокое остаточное давление начала выпуска и наличие остаточных газов в камере сгорания; высокая концентрация вредных компонент в продуктах сгорания, невозможность поддержания оптимального для тактов впуска и расширения температурного режима и, как следствие, неудовлетворительное наполнение цилиндра (камеры) при впуске и недостаточное использование энергии продуктов сгорания при расширении.

Приведенный перечень недостатков известных ДВС обусловлен только отсутствием распределения рабочего цикла в пространстве и совмещения пространства камеры сгорания в рабочим пространством цилиндра двигателя. Эта проблема находит частичное специфическое решение посредством полной изоляции рабочего пространства от камеры сгорания в двигателе Стирлинга, принцип действия которого основан на попеременном нагреве и охлаждении рабочего тела с использованием регенератора, отбирающего и возвращающего тепло рабочему телу, т. е. попеременным созданием т. н. горячего и холодного пространства. Подогрев горячего пространства осуществляется теплом, образующимся при сгорании топлива в горелке, а охлаждение холодного пространства - посредством охладителей. Энергия (давление), образующаяся вследствие рас- ширения рабочего тела при нагревании, воздействует на силовой поршень и через ромбический привод переносится на выходной вал.

Преимущество двигателя Стирлинга состоит в том, что благодаря полному отделению источника тепла от рабочего пространства достигаются: полное использование рабочего пространства для рабочего процесса (цикла); непритязательность к топливу (многотопливность) и принципиальная возможность работы на любом источнике тепла - от жидкого топлива до атомной и солнечной энергии; отсутствие или малая концентрация вредных выбросов благодаря стабильности и полное сгорание топлива; бесшумность в работе и практическое отсутствие вибрации; высокая топливная экономичность; более благоприятная (по сравнению с ДВС) характеристика крутящего момента, позволяющая значительно упростить коробку передач (уменьшить количество ступеней и величину передаточных чисел) и др.

Однако при очевидных преимуществах двигатель Стирлинга имеет и существенные недостатки. Главным из них является сложность конструкции с наличием большого количества вспомогательных механизмов, к которым относятся ромбический привод, вытеснитель, регенератор с охладителями, система нагревательных трубопроводов, обеспечивающая передачу тепла от камеры сгорания с горелкой рабочему телу и др.

Второй существенный недостаток двигателя Стирлинга состоит в инерционности системы охлаждения и нагрева рабочего тела, т. е. ограниченная скорость перехода рабочего тела от холодного состояния к горячему, и наоборот, что оказывает отрицательное влияние на выходные параметры двигателя (мощность, частота вращения выходного вала) и требует соответствующих характеристик рабочего тела, прежде всего по теплостойкости. Именно этим объясняется то обстоятельство, что за почти 180 лет существования идеи двигатели Стирлинга не получили широкого распространения, а их производство носит штучный характер и практически не выходит за рамки экспериментальных или опытных образцов.

Известны попытки распределения рабочего цикла в пространстве и применительно к схеме ДВС. К ним относится, например изобретение по авт. св. N 80445, в котором рабочий процесс разнесен по трем цилиндрам, в один из которых подается обогащенная или богатая топливовоздушная смесь, а в два других - воздух. После воспламенения смеси в первом цилиндре открываются клапаны перепускных каналов, соединяющих первый цилиндр с двумя остальными. Поскольку давление воздуха, сжатого в этих цилиндрах к началу процесса сгорание-расширение, превышает давление смеси, сгорающей в первом цилиндре, происходит перетекание воздуха в первый цилиндр при одновременном впрыске топлива через форсунки, установленные в перепускных каналах. После выравнивания давления возникает обратный процесс, т. е. вытеснение горящей смеси из первого цилиндра в два остальных, которые, таким образом, включаются в процессе сгорание-расширение. При такой схеме достигается работа двигателя на обедненных смесях при воспламенении обогащенной или богатой смеси в первом цилиндре и частичном разделении цикла в пространстве. Кроме того, это позволяет значительно повысить общую степень сжатия, а следовательно и расширения, что в целом повышает термический КПД двигателя, а также дает некоторые другие преимущества.

В усовершенствованном варианте по авт. св. N 128231 предусмотрено только два цилиндра (или две группы цилиндров), в один из которых подается богатая смесь, а во второй - только воздух. Оба цилиндра связаны соединительным (перепускным) каналом без клапанов. В воздушном цилиндре объем камеры сгорания равен нулю, поэтому весь воздух в конце сжатия вытесняется в основной цилиндр; причем процессы в воздушном цилиндре совершаются с запаздыванием на 21-22^о (в углах поворота коленчатого вала) по отношению к процессам в основном цилиндре.

Этот вариант, по сравнению с предыдущим, имеет более простое техническое решение и обладает некоторыми дополнительными преимуществами.

Однако при всех преимуществах оба варианта имеют существенные недостатки. Во-первых, в каждом из них просматривается попытка реализовать известную идею форкамерного двигателя и/или идею двигателя с послойным воспламенением смеси, но в усложненной форме. Во-вторых, частичное разделение цикла в пространстве (по двум или трем цилиндрам) не исключает протекания процессов (впуск, сжатие, сгорание-расширение) в каждом из цилиндров, что приводит к снижению коэффициента наполнения. В третьих, сгорание топливовоздушной смеси в рабочем пространстве, а не в вынесенной камере сгорания, неизбежно приводит к снижению параметров (температура, давление) рабочего тела, а следовательно, и выходных параметров двигателя, включая и его термический КПД. В четырех, протекание рабочего цикла в рабочем пространстве влечет за собой недоиспользование тепловой энергии рабочего тела, значительная часть которой отводится в систему охлаждения и систему выпуска. В пятых, такая схема исключает возможность регулирования (ограничения) подачи количества рабочего тела в рабочее пространство, что также приводит к недостаточному использованию тепловой энергии продуктов сгорания вследствие неполного расширения при рабочем ходе.

Известен также двигатель, содержащий компенсатор с впускным элементом, внешнюю камеру сгорания, соединенную с компрессором через первый перепускной элемент и имеющую топливную форсунку и источник воспламенения, выполненный с возможностью отключения во время работы, расширитель с выпускным элементом, сообщенный с камерой сгорания через второй перепускной элемент, и рабочие органы, размещенные в компрессоре и расширителе и кинематически связанные с выходным валом, причем компрессор, камера сгорания и расширитель снабжены индивидуальными системами охлаждения, а камера сгорания и расширитель выполнены с объемами, превышающими объем компрессора.

Целью изобретения является устранение основных недостатков аналогов и прототипов и получение дополнительных преимуществ: повышение топливной экономичности; снижение концентрации вредных компонент в продуктах сгорания; снижение уровня вибраций и шума; поддержание оптимального теплового режима; оптимизация характеристики крутящего момента; повышение удельной мощности; возможность преобразования в двигатель внешнего сгорания.

Повышение топливной экономичности достигается несколькими путями, используемыми комплексно. Первый путь - создание возможности работы двигателя на бедных топливовоздушных смесях, а также на различных сортах и видах топлив, включая низкооктановые бензины, дизельное топливо, прочие виды жидкого топлива, в т. ч. сложные моноэфиры жирных кислот, растительные масла, топлива сланцевого и каменноугольного происхождения, каменноугольную пудру в смеси с жидким топливом (суспензия), топлива широкофрак- ционного состава, различные виды газообразных топлив, включая водород, аммиак и др. Второй путь - обеспечение условий для максимально возможной полноты сгорания смесей. Третий путь - рационализация использования тепловой энергии продуктов сгорания смеси. Технически все три пути в комплексе сводятся к распределению всего процесса не во времени, а в пространстве, т. е. к разделению рабочего пространства двигателя на три части - компрессорную (для тактов впуска и сжатия), рабочую (для тактов расширения и выпуска) и вынесенную за пределы упомянутых частей камеру сгорания, соединенную с ними перепускными трубопроводами.

Вынесение камеры сгорания за пределы рабочего пространства исключает наличие в ней подвижных деталей, а следовательно и необходимость в смазке и охлаждении, что, в свою очередь, позволяет поддерживать в ней максимальную температуру, ограничиваемую только жаропрочностью материала ее стенок и, как следствие, самовоспламенение топливовоздушных смесей широкого диапазона по и по сортам и видам топлива. Кроме того, достаточно большой объем камеры сгорания, ограничиваемый только конструктивными соображениями, позволяет находиться в ней одновременно нескольким зарядам топливовоздушной смеси, что пропорционально увеличивает располагаемое время сгорания смеси, т. е. в сочетании с высокой температурой повышает полноту ее сгорания.

Отделение камеры сгорания от рабочего пространства двигателя дает возможность дозировать подачу рабочего тела, являющегося продуктом полного (или близкого к нему) сгорания топливовоздушной смеси, в рабочую часть, а следовательно оптимизировать (максимизировать) утилизацию тепловой энергии рабочего тела в процессе расширения.

Решение этой задачи позволяет реализовать первоначальную идею керамического адиабатного двигателя, которая по известным причинам в чистом виде так и не дала ожидаемых результатов. Подобная задача решается посредством реализации идеи двигателя Стирлинга. Однако в отличие от него в данном случае рабочим телом являются непосредственные продукты сгорания топливовоздушной смеси, камера сгорания связана трубопроводом с рабочей частью и компрессорной частью, осуществляющей подачу топливовоздушной смеси в камеру сгорания и др.

Разделение рабочего пространства двигателя на компрессорную и рабочую части позволяет исключить прямую зависимость степени cжатия от степени расширения (как обратной величины степени сжатия), что дает возможность более глубокого расширения, а следовательно, и более полной утилизации тепловой энергии рабочего тела. Это достигается либо соответствующим увеличением хода поршня рабочей части (в поршневом варианте), либо увеличением разности углов поворота соответствующих лопаток (в случае РПД), либо увеличением объема рабочей части относительно дозируемого объема рабочего тела, поступающего в рабочую часть, либо сочетанием этих мер. Теоретически это позволяет довести утилизацию тепловой энергии продуктов сгорания до "холодного выхлопа", т. е. до нулевого или близкого к нему давления начала выпуска.

Снижение концентрации вредных компонент в продуктах сгорания осуществляется автоматически посредством решения первой из названных задач, по крайней мере по СО и СН, а равно и содержанию свинца, поскольку СО и СН являются продуктами неполного сгорания топливовоздушных смесей, а свинец - следствием использования ТЭС для повышения октанового числа (этилирования) бензина. При достаточной полноте сгорания топливовоздушных смесей проблема превращения СО в СО₂, а равно и несгоревших углеводородов в значительной мере снимается, причем без использования специальных устройств типа дожигателей, термических и каталитических нейтрализаторов и других устройств, усложняющих конструкцию, требующих больших дополнительных затрат, снижающих мощность двигателя и повышающих расход топлива. Для нормальной работы этих устройств требуется наличие горючих компонент в отработавших газах. Это приводит к тому, что значительная часть топлива, которое должно сгорать в двигателе, сгорает в выпускном тракте, что касается свинца, то непритязательность двигателя к топливу полностью исключает необходимость использования в топливе добавок ТЭС, а следовательно и содержание свинца в продуктах сгорания. В отношении таких токсичных компонент, как NO_x, S и др. требуется экспериментальная проверка, однако можно предположить, что их концентрация будет не больше, чем у прототипов и аналогов. В частности, концентрация токсичных компонент в продуктах сгорания двигателя Стирлинга для стандартного городского ездового цикла составляет по СО-0,007-0,03 мас. % , СН-100-200 промилле. Достижение такого уровня применительно к предлагаемому техническому решению представляется вполне возможным.

Снижение уровня вибрации и шумов сводится к устранению причин, их вызывающих, или к подавлению интенсивности собственно вибраций и шумов.

Основными источниками вибрации и шумов двигателей являются наличие шатунно-кривошипного механизма, изменение величины давления на протяжении цикла и при изменении нагрузок, механические стуки и шумы, возникающие в различных механизмах, удары поршней о стенки цилиндров, детонация, шумы в системе выпуска.

В двигателе Стирлинга эта задача решается посредством ромбического привода, устраняющего боковые нагрузки на поршни, выравниванием давления на протяжении цикла, отсутствием механизма газораспределения, отсутствием детонации, стабильным и постоянным горением топливовоздушной смеси.

В изобретении проблема снижения вибрации и шумов решается посредством вынесения камеры сгорания за пределы рабочего пространства и выделением компрессорной части из общего рабочего пространства двигателя, что обеспечивает сглаживание колебаний давления при воспламенении очередной порции топливовоздушной смеси благодаря практически непрерывному процессу сгорания вследствие порционной подачи смеси и амортизирующему действию продуктов сгорания, находящихся в камере сгорания. Пульсация давления в камере сгорания, возникающая при таком процессе, находится в обратной зависимости от отношения объема камеры сгорания к объему компрессорной части, причем, по мере увеличения этого отношения, выбираемого при проектировании, асимптотически приближается к нулю, независимо от абсолютной величины рабочего давления в камере сгорания. Практически величина этого отношения ограничивается только конструктивными соображениями (габаритные размеры) и может быть доведена до 3-5. Для обычного ДВС со степенью сжатия порядка 9 она составляет примерно 0,1. Это означает, что пульсация рабочего давления в двигателе может быть уменьшена, по сравнению с обычным ДВС, в 30-50 раз, т. е. почти сведена к нулю.

Решение проблемы шумов вследствие детонационного сгорания топливовоздушных смесей достигается тем же способом, т. е. посредством вынесения камеры сгорания за пределы рабочего пространства и относительного увеличения ее объема.

Проблема шумов, вызываемых ударами поршней о стенки цилиндров, механизмом газораспределения, шатунно-кривошипным механизмом и др. , в поршневом варианте двигателя решается лишь частично благодаря стабильности рабочего давления на установившемся режиме и плавности его изменения на переходных режимах. В варианте РПД этой проблемы не возникает по причине отсутствия упомянутых механизмов в традиционном исполнении.

Проблема шумов в выпускном тракте, обусловленная достаточно высоким давлением начала выпуска решается автоматически при решении рассмотренных выше проблем топливной экономичности и токсичности продуктов сгорания, т. е. продолженным расширением рабочего тела и, как следствие, снижением давления и температуры выпуска, а также дозированием величины подачи рабочего тела в рабочий цилиндр или камеру, что также позволяет получить продолженное расширение, но уже косвенным путем.

В целом решение проблемы вибрации и шумов достигается методами, близкими по характеру к методам, используемым в двигателе внешнего сгорания, однако основным отличительным признаком в данном случае является простота технического решения, исключающего применение ряда дополнительных механизмов.

Для оптимизации выходных параметров (мощность, крутящий момент, топливная эффективность и др. ) теплового двигателя с использованием продуктов сгорания топливовоздушных смесей в качестве рабочего тела необходимо оптимизировать его температурный режим. Эта оптимизация состоит в подборе специальных температурных режимов для элементов или групп элементов (тактов) всего рабочего цикла. Например, для впуска и сжатия желательно поддерживать низкую температуру, позволяющую обеспечивать достаточное наполнение и избегать излишних потерь энергии (мощности) на сжатие смеси, для процесса сгорание-расширение - высокую температуру в целях более полной утилизации тепловой энергии рабочего тела. Попытки решения этой проблемы предпринимаются многими зарубежными фирмами. В частности, для повышения коэффициента наполнения широкое применение получил наддув, что влечет за собой использование турбокомпрессоров или механических нагнетателей, причем, как правило, их использование сопровождается установкой систем охлаждения наддувочного воздуха. Для повышения температуры и степени утилизации тепла предпринимаются попытки реализации идеи адиабатного двигателя. Однако все эти методы и средства дают лишь частичный эффект и при значительном усложнении конструкции не решают проблемы в целом, а иногда и заводят в тупик.

Изобретение позволяет решить эту проблему в целом, причем с большим эффектом и без излишнего усложнения конструкции. Это достигается посредством распределения рабочего цикла в пространство и разделения его на три элемента или процесса - впуск и сжатие, включая перепуск, сгорание, расширение и выпуск, что позволяет поддерживать оптимальные температурные режимы для каждого элемента или каждой группы элементов цикла посредством разделенных систем охлаждения или соответствующего распределения потоков охлаждающей жидкости. Так, высокая интенсивность охлаждения компрессорной части позволяет поддерживать в ней низкую температуру впуска и сжатия, менее интенсивное охлаждение рабочей части - высокую температуру процесса расширения при естественном снижении этой температуры к концу такта расширения и началу такта выпуска, что же касается обособленного процесса сгорания, то охлаждение вынесенной за пределы рабочего пространства камеры сгорания может либо полностью отсутствовать, либо сведено к минимуму, обусловленному жаропрочностью материала.

В качестве дополнительного эффекта такое решение позволяет поддерживать относительно стабильную температуру компрессорной и рабочей частей, а следовательно устранить изменения величины температурных зазоров, и, соответственно, уменьшить потери на трение.

У существующих двигателей внутреннего и внешнего сгорания, величина крутящего момента в определенных пределах, по крайней мере в пределах эксплуатационного режима, изменяется в прямой зависимости от частоты вращения вала, что влечет за собой необходимость в использовании дополнительных устройств типа коробок передач. В этом состоит одно из принципиальных отличий от электрических двигателей и паровых машин. В идеале желательно иметь двигатель, характеристика крутящего момента которого имела бы обратную зависимость. Частично эта проблема решается в двигателе Стирлинга. Однако двигатель Стирлинга меняет лишь степень этой зависимости, а не принципиальный характер ее. Изобретение позволяет решить эту проблему в принципе, т. е. изменить сам характер зависимости крутящего момента от частоты вращения выходного вала, или получить его "перевернутую" характеристику. Наличие обратной зависимости момента от частоты вращения выходного вала означает, что крутящий момент достигает максимальной величины при частоте вращения выходного вала двигателя, равной нулю (неподвижный вал), а минимальной - при максимуме частоты вращения последнего. Практически это исключает необходимость в коробке передач и сцеплении и дает следующие дополнительные преимущества: автоматическое приспособление величины крутящего момента двигателя, например к условиям движения транспортного средства (сопротивление движению) или величине момента, необходимого для привода какого-то механизма, независимо от нагрузки (величины подачи смеси); работу двигателя в оптимальном режиме, т. е. в режиме максимального момента при полной нагрузке (по внешней характеристике) или любой частичной нагрузке; устойчивую работу двигателя без самопроизвольной остановки, независимо от требующейся величины крутящего момента на выходном валу; плавное изменение частоты вращения выходного вала при ускорении или замедлении; снижение удельного расхода топлива вследствие самонастраивания двигателя на оптимальный режим работы, т. е. режим максимального крутящего момента для данной нагрузки, а следовательно режим максимальной утилизации тепловой энергии рабочего тела.

У известных ДВС и двигателей внешнего сгорания увеличение мощности достигается (при прочих равных условиях) либо увеличением рабочего объема цилиндра, либо увеличением количества цилиндров (секций, в случае РПД), либо сочетанием обоих методов. Одновременно решается задача повышения равномерности работы двигателя, т. е. снижения уровня вибрации. Однако эти меры как в отдельности, так и в комплексе дают соответствующий эффект лишь применительно к абсолютной, а не удельной (относительной мощности двигателя, т. е. количественный результат, и не влияют на решение задачи в качественном аспекте.

В поршневом варианте решение задачи повышения мощности достигается главным образом посредством повышения рабочего давления в камере сгорания, а следовательно, и увеличения крутящего момента благодаря использованию планетарного механизма, обеспечивающего соответствующую величину и интенсивность подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, т. е. количества зарядов смеси на рабочий ход (расширение). Это позволяет увеличивать мощность, не меняя рабочего объема компрессорной и рабочей частей двигателя, т. е. повышение мощности на единиц общего рабочего объема двигателя.

Однако более радикальным методом решение этой задачи в комплексе является увеличение количества пар лопаток в компрессорной и рабочей камерах варианта РПД. Поскольку в этом варианте рабочий объем камеры составляет разность между объемом внутреннего пространства камеры и объемом, занимаемым лопатками и валами, причем, не зависит от количества лопаток и остается постоянным, появляется возможность при неизменном рабочем объеме увеличивать количество пар лопаток. Это дает кратное сокращение продолжительности и, соответственно, увеличение количества циклов на один оборот (360^о) вала камеры, причем как компрессорной, так и рабочей, а следовательно, и на один оборот выходного вала. Увеличение количества циклов при неизменном рабочем объеме камеры эквивалентно соответствующему увеличению количества камер. Например, двигатель с одной парой лопаток по своим характеристикам является эквивалентом однокамерного (односекционного) РПД, с двумя - двухсекционного, тремя - трехсекционного и т. д. Количество пар лопаток ограничивается только конструктивными соображениями и в этой связи вероятным пределом их количества является 4 пары лопаток или 8 лопаток. В пределах 1-4 пары лопаток продолжительность цикла изменяется кратно от 360^о до 90^о, а количество циклов - от 1 до 4. Такое решение позволяет: увеличить удельную (литровую) мощность двигателя по сравнению с роторно-поршневым аналогом, имеющим 2 пары лопаток, но работающим в режиме четырехтактного ДВС; уменьшить интенсивность (уровень) вибрации по сравнению с тем же вариантом.

Получение этих результатов достигается только увеличением количества пар лопаток без учета получения соответствующих результатов другими методами.

Такое техническое решение является одним из основных отличительных признаков предлагаемого изобретения.

Следует, однако, учитывать специфическую особенность предлагаемого двигателя. Поскольку величина мощности любого двигателя описывается произведением, одним из сомножителей которого является частота вращения вала, логично было бы считать, что при нулевом значении этого сомножителя произведение, т. е. величина мощности, тоже равна нулю. Однако наличие планетарного механизма позволяет двигателю работать даже при неподвижном выходном вале и при вращении только валов компрессорной и рабочей частей. Отсюда мощность, развиваемая двигателем, описывается произведением, сомножителями которого являются момент и частота вращения, относящиеся только к валу рабочей части двигателя, причем вся эта мощность расходуется только на привод вала компрессорной части, т. е. для работы двигателя "на себя". По достижении крутящим моментом величины, достаточной для привода во вращение выходного вала, мощность на выходном вале приобретает значение, отличное от нуля, и при прочих равных условиях изменяется в функциональной зависимости от частоты вращения выходного вала. При этом происходит распределение мощности на привод валов компрессорной и рабочей частей пропорционально распределению крутящего момента между ними, определяемому внутренним передаточным отношением планетарного механизма, задаваемым при проектировании в зависимости от назначения двигателя. Если ставится задача увеличения мощности за счет снижения частоты вращения выходного вала, выбирается передаточное отношение, позволяющее увеличить частоту вращения компрессора относительного выходного вала, и наоборот.

Все основные перечисленные отличительные признаки изобретения относятся к варианту двигателя полувнешнего сгорания. Однако этот вариант может без существенных переделок быть преобразован в двигатель внешнего сгорания. Для этого необходимо лишь обеспечить подвод тепла извне к стенкам камеры сгорания, превратив ее, таким образом, в нагревательную камеру для рабочего тела. При этом, как и в случае двигателя Стирлинга, может использоваться любой источник тепловой энергии (жидкое топливо, уголь и дрова, Солнце и т. д. ). В качестве рабочего тела может быть использован атмосферный воздух (в случае открытой системы) или любое газообразное тело. В обоих случаях отпадает необходимость в последовательном чередовании циклов нагрева и охлаждения рабочего тела, а сами эти процессы становятся непрерывными в отличие от цикла Стирлинга.

В случае использования воздуха, забираемого извне, отпадает необходимость в его специальном охлаждении, поскольку температура атмосферы значительно ниже температуры воздуха в нагревательной камере. Регулирование выходных параметров двигателя осуществляется в этом варианте либо регулированием интенсивности нагрева рабочего тела посредством регулирования расхода (подачи) топлива, либо дросселированием потока рабочего тела на входе в компрессор, либо сочетанием обоих методов. Принципиально возможно использование для этой цели и регулирования (дросселирования) расхода горячего рабочего тела из нагревательной камеры.

Таким образом, при некотором незначительном изменении принципиальной схемы предлагаемого двигателя, состоящем в дополнении его конструкции горелкой или другим нагревательным устройством, устанавливаемым вне камеры сгорания, подводом тепла к камере сгорания и преобразованием ее в нагревательную камеру типа парового котла, достигается преобразование его из двигателя полувнешнего сгорания в двигатель внешнего сгорания без ряда дополнительных устройств. При этом исключаются и некоторые дополнительные недостатки, в частности цикличность нагрева и охлаждения рабочего тела, влияние его тепловой инерционности, как и системы в целом, на выходные параметры, невозможность использования открытой системы, сложность принципиальной схемы, а следовательно и технического решения (устранение ряда механизмов и систем).

Изобретение представлено в нескольких вариантах и подвариантах, различающихся между собой по техническим решениям, исполнению и, как следствие, выходным параметрам. К ним относятся: Вариант I - двигатель полувнешнего сгорания с поступательным движением поршней и общим коленчатым валом для компрессора и рабочего цилиндра; Вариант II - двигатель полувнешнего сгорания с поступательным движением поршней и раздельными коленчатыми валами компрессора и рабочего цилиндра, связанными между собой кинематически через два элемента планетарного механизма (дифференциала), третий элемент которого непосредственно связан с выходным валом.

Вариант III - двигатель полувнешнего сгорания в роторно-поршневом исполнении (РПД), являющийся версией варианта 1.

Вариант IV - двигатель полувнешнего сгорания, являющийся версией (подвариантом) варианта II в исполнении РПД.

Вариант V - двигатель внешнего сгорания, являющийся версией (подвариантом) варианта I.

Вариант VI - двигатель внешнего сгорания, являющийся подвариантом варианта II.

Вариант VII - двигатель внешнего сгорания, являющийся подвариантом варианта III.

Вариант VIII - двигатель внешнего сгорания, являющийся подвариантом варианта IV.

К существенным признакам изобретения относятся: разделение рабочего пространства на три части - компрессор, рабочую часть (цилиндр, камеру) и камеру сгорания с распределением по ним элементов рабочего цикла, т. е. процессов впуска и сжатия-перепуска (компрессор), процесса сгорания (камера сгорания), процессов перепуска-расширения и выпуска (рабочая часть) при одновременном протекании всех процессов в пределах одного цикла, что позволяет поддерживать в каждой из частей оптимальную температуру и, как следствие, исключение или сведение к минимуму догорания смеси в процессе расширения, повышение коэффициента наполнения при впуске, самовоспламенение при прогретом двигателе топливовоздушной смеси различного состава как по , так и по видам и сортам топлива, полноту сгорания смеси благодаря высокой температуре в камере сгорания и увеличенной продолжительности (располагаемого времени) горения смеси и, как следствие, повышение топливной экономичности и экологичности, а также отсутствие необходимости в механизме регулирования момента зажигания и необходимости в системе зажигания вообще при работе прогретого двигателя; использование раздельных систем охлаждения или различной интенсивности охлаждения для компрессорной и рабочей частей в целях оптимизации температурного режима каждой из них при максимально возможной по жаропрочности материала теплоизоляции камеры сгорания (эффект адиабатизации); непре- рывность процесса горения смеси в результате подачи очередной порции ее за каждый цикл и наличия в камере сгорания нескольких зарядов смеси (в зависимости от объема камеры), что обеспечивает постоянство рабочего давления на установившемся режиме, плавное изменение его на переходных режимах и, как следствие, значительное снижение уровня вибрации и повышение равномерности работы двигателя, а также бездетонационное сгорание каждой очередной порции смеси благодаря малой относительной величине приращения давления; вынесение камеры сгорания за пределы рабочей части (цилиндра, камеры) в сочетании с соответствующим подбором фаз газораспределения позволяет дозировать расход рабочего тела, что повышает степень утилизации его тепловой энергии при расширении и, как следствие, топливную экономичность и термический КПД; разделение общего вала компрессора, рабочего цилиндра (камеры) и выходного вала на три соответствующие части и установление между ними кинематической связи через планетарный механизм (дифференциал), что обеспечивает саморегулирование крутящего момента на выходном валу в обратной зависимости от частоты вращения последнего в диапазоне от нуля до максимума и от максимума до нуля при обеспечении оптимального режима работы двигателя, т. е. режима максимального для данных конкретных условий крутяще- го момента; возможность выбора соответствующего внутреннего передаточного отношения планетарного механизма (