Способ осуществления цикла, приближенного к циклу карно, в двигателе внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

Способ осуществления цикла, приближенного к циклу карно, в двигателе внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

Реферат

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно способам реализации термодинамических циклов в двигателях внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективного КПД двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в двигателе внутреннего сгорания, в котором сжимают воздух, подводят тепло более чем на одной стадии, расширяют образовавшиеся газы и отводят полезную работу. Причем завершающую стадию подвода тепла проводят при постоянной температуре и сочетают это с тем, что обеспечивают объем расширения рабочего тела больше объема сжатия, создавая в конце расширения давление в цилиндре, равное давлению в объеме, в который вытесняют газы, а между поршнем и цилиндром создают только жидкое или газовое трение и при этом увеличивают скорость поршня или рабочего тела, выполняющего его функцию. Для осуществления передачи механической работы от одного рабочего тела в первой части его расширения к другому рабочему телу и возвращения указанной механической работы используют аккумулятор механической энергии, который может быть выполнен в виде свободного поршня-затвора, отделяющего основное рабочее тело в цилиндре двигателя от находящегося в цилиндре аккумулятора рабочего тела. 2 c. и 23 з.п. ф-лы, 28 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для создания двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известно, что в ДВС достигнут КПД существенно больший (50%), чем в пароэнергетических установках ТЭЦ (32%). С тех пор, как в малооборотных дизелях в качестве топлива стали применять мазут, стоимость выработки их энергии стала значительно дешевле, чем стоимость энергии ТЭЦ. Поэтому в настоящее время эти дизели практически вытеснили пароэнергетические силовые установки на кораблях и судах всех классов и назначений, кроме атомных установок. Однако применение дизелей для крупных ТЭЦ пока невозможно из-за недостаточной единичной мощности.

КПД ДВС оказывается больше, чем у турбинных установок в основном потому, что практически реализуемая температура начала расширения рабочего тела в циклах ДВС существенно больше, чем в турбинных установках. Это происходит потому, что рабочее тело с этой максимальной температурой в ДВС действует на сопрягаемые детали очень короткое время, а остальное время цикла они соприкасаются с рабочим телом при температурах более низких. В результате эти детали приобретают какую-то среднюю температуру рабочего тела и даже более низкую в результате искусственного охлаждения, которое в ДВС более удобно исполнять, чем в турбинах. В них первая рабочая ступень постоянно подвержена максимальной температуре в начале расширения рабочего тела и детали этой ступени приобретают указанную температуру. Поэтому она не может быть такой высокой, как в ДВС. Следовательно, КПД турбинных установок, работающих по циклу Ренкина для паротурбинных установок, и по циклам газотурбинных установок получаются ниже, чем у ДВС, хотя циклы турбинных установок при тех же начальных температурах, что и в ДВС, имели бы более высокий КПД, чем циклы, реализуемые в ДВС.

Однако единичные мощности современных дизелей не превосходят 50-60 МВт даже при очень больших их габаритах. В этих дизелях средние скорости поршня не могут превосходить величину 15 м/с из-за больших инерционных сил в деталях при их возвратно-поступательном движении, а также из-за граничного трения между рабочими поверхностями поршневых колец и цилиндра, поскольку смазочный слой там имеет толщину не больше суммарной высоты неровностей сопрягаемых поверхностей. В турбинах реализуется вращательное движение с постоянной окружной скоростью до 400 м/с и более, поэтому при одинаковых силах, действующих на лопатки турбин и поршни ДВС, мощности турбин будут больше на величину отношений этих скоростей. Кроме того, в турбинах отсутствуют узлы с граничным трением.

Известные ДВС обладают и другими недостатками, относящимися к их циклам. В результате у ДВС не реализуют КПД, возможный при таких высоких температурах начала расширения, как в ДВС.

В циклах, реализуемых в ДВС, подвод тепла осуществляется при постоянном объеме (цикл Отто) или при постоянном объеме и затем при примерно постоянном давлении (смешанный цикл). Такой процесс подвода тепла значительно отличается от подвода тепла при постоянной температуре, дающего максимальный КПД. Рудольф Дизель в целях повышения КПД ДВС попытался реализовать цикл, имеющий как в циклах газовых турбин, подвод тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля). Однако это ему не удалось, и ДВС был создан работающим по смешанному циклу, который при тех же начальных температурах расширения выше, чем цикл Отто, но ниже, чем цикл Дизеля. Эта неудача произошла потому, что при характере движения поршня близким к синусоидальному, в положении поршня вблизи верхней мертвой точки скорости движения и соответствующие скорости расширения рабочего тела оказываются очень низкими, хотя при подводе в это время тепла для сохранения постоянного давления необходимы существенно более высокие скорости расширения. Поэтому там возникает вначале рост давления практически при постоянном объеме.

Имеется и другой существенный недостаток циклов ДВС по сравнению с циклами газовых турбин. В связи с равенством объема расширения и объема сжатия в ДВС давление в конце расширения получается большим, чем давление в начале сжатия, т.е. имеет место не полное расширение газа в цилиндре. При этом даже в 4-тактном ДВС из-за наличия мертвого объема невозможно выпустить газ при постоянном давлении большим, чем давление впуска (в начале сжатия), и приходится при использовании неполностью расширенного газа в газовых турбинах дросселировать его или применять импульсные газовые турбины. То и другое не экономично.

Последний недостаток не дает возможности применять высокий наддув дизеля и создавать такое промежуточное охлаждение воздуха при его сжатии перед подачей в цилиндр, которое дает максимальное повышение КПД, как это достигается при ступенчатом сжатии и охлаждении в газотурбинных установках. Также этот недостаток является одной из причин нецелесообразности подвода тепла в цилиндре дизеля по изотерме после подвода тепла по изобаре, т.е. создавать приближение к циклу Карно, или осуществлять промежуточный подвод тепла, как в газотурбинных установках. Если продолжать подавать топливо в цилиндр в начальной части расширения после изобары, то в конце расширения давление будет увеличиваться, и потери из-за не полного расширения в цилиндре будут еще больше. Следует отметить, что реализация цикла Карно в ДВС в чистом виде практически не возможна, из-за необходимости иметь в начале расширения давление более 100 МПа.

Известны способы, в которых делаются попытки исправить указанные недостатки в ДВС, касающиеся их малой единичной мощности. Например, предлагается для увеличения скоростей поршня создавать импульсные электродинамические генераторы, содержащие разгонный ствол, в котором свободно перемещается металлический поршень со скоростью до 300 м/с. Однако в этих способах не указывается каким образом исключают большие износы ствола и поршня при длительной работе с такой большой скоростью поршня. Кроме того, при большой длине ствола и примерно такой же длине статора линейного электрогенератора и сравнительно малой длине поршня-якоря будет не эффективно использоваться этот статор и будут очень велики потери на перемагничивание его магнитопровода. В указанных способах также не предусматриваются мероприятия по увеличению КПД цикла. Кроме того, эти способы трудно осуществить в реальной конструкции из-за наличия высоких температур газа в стволе в непосредственной близости к магнитопроводу статора и поршня-якоря.

Последний недостаток устранен в устройстве импульсного дизель генератора по патенту РФ N 2045666. В цилиндре этого импульсного ДВС сжимается воздух, который подается в отдельный ускорительный цилиндр-статор линейного электрогенератора, имеющего свой поршень-ротор. Однако целесообразность такого устройства вызывает сомнение. Сжатый в цилиндре импульсного ДВС воздух лучше направлять в воздушную турбину, вращающую обычный электрогенератор, чем в линейный электрогенератор. Кроме того, указанное устройство имеет КПД не выше КПД четырехтактного дизеля. Там также не предусмотрены мероприятия, предотвращающие большие износы при увеличенной скорости поршня.

Известен способ осуществления цикла ДВС и поршневого ДВС по патенту РФ N 2075613, в котором для повышения КПД предлагается реализовать цикл с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля). В этом способе воздух, сжатый до давления начала горения топлива, накапливают в ресивере при сохранении достигнутых параметров и используют для приготовления смеси по мере надобности. Расширение газов производят вначале в поршневой машине до величины не более 0,4 объема газов при атмосферном давлении, а затем в термодинамическом обменнике энергией, где энергия расширяющихся газов используется для двухступенчатого сжатия воздуха с промежуточным охлаждением. По расчету, результаты которого приведены в патенте, КПД такого цикла может быть около 70%. Однако этот способ осуществления цикла поршневого ДВС невозможно реализовать в предлагаемом устройстве поршневого двигателя, поскольку его часть, которая в патенте называется двигателем, не является ДВС в полном смысле этого слова. Там происходит только расширение горячих газов и более того - самая высокотемпературная его часть, а заполнение цилиндра свежим воздухом и его сжатие происходит в другой машине. Поэтому начальная температура цикла у такого двигателя реально будет не выше, чем в газовых турбинах, а, следовательно, и КПД будет не выше. При этом, такой двигатель перед газовой турбиной имеет тот недостаток, что из-за возвратно-поступательного движения деталей он не может быть создан такой большой мощности, как газовая турбина.

Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому способу по совокупности существенных признаков является "Способ осуществления цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания" по авт. св. СССР N 1760140, F 02 D 37/00, 1990, принятый автором за прототип способа.

Этот способ осуществления цикла ДВС заключается в сжатии воздуха, подвода к нему тепла, расширении образовавшихся газов и отводе полезной работы, а также в передаче между несколькими рабочими телами механической работы и расходовании ее на совершение некоторых процессов цикла.

В этом способе КПД ДВС несколько повышается за счет предварительного сжатия свежего заряда воздуха путем передачи части механической работы расширения горячих газов (одного рабочего тела), для сжатия воздуха (другого рабочего тела).

Однако этот способ не ликвидирует указанных выше недостатков ДВС. Он не дает существенного увеличения КПД и мощности ДВС.

Из известных ДВС наиболее близким объектом к заявляемому двигателю по совокупности существенных признаков является "Силовая установка" по авт. св. СССР N 1835460, F 02 D 37/00, 1990, принятый автором за прототип устройства.

Этот поршневой ДВС имеет объемы, в которых расположены взаимодействующие рабочие тела, камеры сгорания, массы, обладающие импульсом, полученным от рабочего тела, устройство подачи топлива и отверстия, предназначенные для разгерметизации рабочего цилиндра, а также теплообменники и устройства, производящие полезную работу.

Это устройство содержит элементы, незначительно повышающие КПД и мощность ДВС: турбонаддув с дальнейшим использованием газов в парогенераторе в турбине, свободнопоршневой компрессор и др. Однако это устройство не имеет средств для существенного повышения КПД цикла и мощности двигателя.

Целью предлагаемого изобретения является создание ДВС широкого диапазона мощностей - от 50 кВт до 1 млн. кВт, а также повышение их эффективного КПД до 60-70% за счет увеличения КПД цикла до величины, близкой к КПД цикла Карно.

Для этого необходимо: - повысить среднюю скорость поршня (скорость рабочего тела) до 50 м/с и более; - реализовать в ДВС новый цикл, названный реальным циклом Карно. В нем процесс расширения рабочего тела состоит из трех частей: с подводом тепла при постоянном давлении (или с малым ростом давления) в первой части расширения, с подводом тепла при постоянной температуре во второй части расширения и без подвода тепла в третей части расширения. В этом цикле также осуществляется отвод тепла в первой части сжатия воздуха (до значительно более высокого давления, чем в существующих ДВС) при постоянной температуре или при ступенчатом сжатии с промежуточным охлаждением; - уменьшить потери давления перед использованием в газовой турбине или в расширительной машине другого типа отработанных в цилиндре ДВС газов. Для этого осуществляется их впуск в указанные машины при постоянном давлении, равным давлению в конце расширения в цилиндре: для 2-тактного ДВС - равным давлению начала сжатия (впуска в цилиндр свежего воздуха), а для 4-тактного ДВС - большим давления начала сжатия.

В предлагаемом способе осуществления цикла ДВС с существенными изменениями используется присущий известным способам признак, в котором обеспечивают взаимодействие между рабочими телами, одновременно участвующими в работе двигателя. Например, при расширении рабочего тела в одном цилиндре механическая работа этого тела через механическое устройство передается рабочему телу в другом цилиндре и при этом оно сжимается. Известны и другие виды взаимодействий рабочих тел. Однако при подводе тепла такое взаимодействие в известных способах не приводит к повышению КПД цикла.

Предлагаемый способ может быть осуществлен в различных специальных для этого способа устройствах ДВС. Для каждого вида устройства ДВС предлагаемый способ имеет свои характерные особенности. Общим элементом для всех вариантов способа является то, что в процессе подвода тепла к одному рабочему телу в первой части его расширения передают от него механическую работу другому рабочему телу и обеспечивают при этом подводе тепла постоянное давление или уменьшение его роста. Затем возвращают от другого рабочего тела механическую работу первому рабочему телу. Во второй части расширения подводят к нему тепло при постоянной температуре и третью часть расширения выполняют без подвода тепла. Таким образом, выполняют часть реального цикла Карно, относящуюся к процессам расширения рабочего тела. При этом различные варианты способа, а также остальную часть реального цикла Карно осуществляют в специальных для каждого из них устройствах ДВС, где обеспечивают существенное повышение КПД цикла и создают возможность повышения мощности. В этих вариантах осуществляются и другие существенные элементы способа, повышающие КПД ДВС: сжатие с отводом тепла при постоянной температуре или ступенчатое сжатие с отводом тепла, эффективное использование отработанных в цилиндре газов и др. Кроме того, осуществляются элементы способа, повышающие мощность ДВС за счет создания средней скорости рабочего тела или поршня больше 50 м/с с помощью обеспечения только жидкого или газового трения в двигателе.

Устройства ДВС, в которых реализуется предлагаемый способ, можно подразделить на три основных вида: поршневые, беопоршневые и композитные ДВС. В свою очередь поршневые ДВС могут быть импульсными или с поршнем-плунжером, опирающимся на опоры уплотнения, или с поршнем, имеющим поршневые кольца. Каждый из этих основных видов в свою очередь имеет различные варианты исполнения.

Поставленная цель достигается тем, что в процессе подвода тепла только к одному рабочему телу в первой части его расширения передают от него механическую работу другому рабочему телу и обеспечивают при этом подводе тепла постоянное давление или уменьшение его роста. Затем возвращают от другого рабочего тела механическую работу первому рабочему телу. Во второй части расширения подводят к нему тепло при постоянной температуре и третью часть его расширения выполняют без подвода тепла. При этом различные варианты способа осуществляют в специальных для каждого из них устройствах ДВС. В импульсных ДВС и в ДВС с поршнем-плунжером обеспечивают только жидкое или газовое трение, создают среднюю скорость рабочего тела или поршня больше 50 м/с. Во всех поршневых ДВС используют аккумулятор механической энергии, рабочему телу которого передают механическую работу при подводе тепла в первой части расширения, затем возвращают через основное рабочее тело эту работу поршню, создают в конце расширения давление в цилиндре, равное давлению в объеме, в который вытесняют газы поршнем или другой порцией рабочего тела, а при 4-тактном цикле и механически связанном движении поршня исключают мертвый объем, образуют камеру сгорания в конце сжатия в аккумуляторе механической энергии при перемещении его поршня-затвора и полностью вытесняют газы при давлении большим, чем давление впуска свежего воздуха, который предварительно сжимают и охлаждают до оптимальных параметров наддува, соответствующих максимальному КПД цикла. Если цикл осуществляют в 2-тактных поршневых ДВС - импульсном или с поршнем-плунжером, то там расширяют газы до давления впуска в цилиндр свежего воздуха, для чего создают в одном цилиндре объем расширения рабочего тела больше объема его сжатия и, при движении поршня в том же направлении, заполняют свежей порцией воздуха часть цилиндра до выпускного клапана или выпускных окон без выпуска из него всех или части газов, а вытесняют их поршнем и затем сжимают воздух за второй такт, причем в поршневом импульсном ДВС воздух сжимают ступенчато, в промежутках охлаждают его в накопителях-охладителях, кроме того, сжимают еще дополнительную порцию воздуха и совершают ею полезную работу.

Если цикл осуществляют в беспоршневом импульсном ДВС, то в качестве поршня используют сами рабочие тела, в которых создают ударные волны, заполняют часть цилиндра свежим воздухом при образовании там минимального давления, сжимают воздух другим предыдущим рабочим телом, отраженным от противоположного конца цилиндра, или волной от этого тела, затем подводят тепло к сжатому воздуху, одновременно отдают механическую работу другому рабочему телу, ускоряют оба рабочих тела, сжимают их при торможении, отражают одно и удаляют к потребителю другое предыдущее рабочее тело, сжатое при взаимодействии с последующим. Во всех указанных ДВС осуществляют этот цикл с отводом полезной работы в расширительной машине с поршнем-плунжером или в газовой турбине, или в воздушном компрессоре и воздушной турбине, или только в воздушной турбине, или в реактивном движителе, или в колонне бурового станка, или в других потребителях сжатого газа или воздуха, или в линейном электрогенераторе, или через механическое устройство с двумя мотылями, или через кривошипно-шатунный механизм.

В свою очередь заявляемый способ может быть образован следующим путем. В импульсном поршневом ДВС при отводе тепла в одном цилиндре во время второго такта движения поршня один или несколько раз в промежутках между ступенями сжатия удаляют из цилиндра всю порцию частично сжатого воздуха и заменяют ее другой охлажденной порцией, а удаленные порции накапливают в накопителе неохлажденного воздуха, сжимают их в низконапорном компрессоре, охлаждают в воздухоохладителе, подают в накопитель охлажденного воздуха и далее возвращают по одной порции воздуха в цилиндр для дальнейшего сжатия так, что этой порцией и поршнем вытесняют следующую порцию воздуха в тот же накопитель-охладитель. В других вариантах ДВС при использовании для наддува поршневого компрессора охлаждают воздух при сжатии путем разбрызгивания в цилиндре и удаления из него охлаждающей воды.

Двигатель внутреннего сгорания для осуществления такого способа имеет объемы, в которых расположены взаимодействующие рабочие тела, камеры сгорания, массы, обладающие импульсом, полученным от рабочего тела, устройство подачи топлива и отверстия, предназначенные для разгерметизации рабочего цилиндра, а также теплообменники и устройства, производящие полезную работу. При этом ДВС имеет устройство, уменьшающее рост давления в одном из рабочих тел при подводе к нему тепла в первой части расширения, и устройство, обеспечивающее подвод тепла при постоянной температуре во второй части расширения. ДВС может иметь различные конструктивные варианты, такие как: - вариант ДВС с поршнем, имеющим поршневые кольца; - вариант ДВС импульсного типа со свободным поршнем; - вариант ДВС с поршнем-плунжером, который опирается на две неподвижные опоры-уплотнения и между цилиндрическими поверхностями поршня-плунжера и цилиндра вне опор выполнен минимальный зазор, а цилиндр имеет или одностороннее исполнение или состоит из двух оппозитных частей, между которыми расположен статор линейного электрогенератора, имеющим якорь в поршне-плунжере, или расположен цилиндр компрессора, поршень которого образован выступающей частью поршня-плунжера, или с поршнем-плунжером связано передающее полезную работу длинноходовое механическое устройство с двумя мотылями; - вариант ДВС импульсного типа беспоршневой, состоящий из цилиндра, содержащего в одной или обоих концевых частях камеры сгорания, впускные клапаны, выпускные клапаны или выпускное отверстие, а также в нем размещены несколько взаимодействующих рабочих тел, каждое из которых совершает цикл, смещенный по фазе от цикла другого рабочего тела, и поочередно выполняет функции поршня, сжимающего другое рабочее тело, и устройства, уменьшающего рост давления в этом теле при подводе к нему тепла в первой части его расширения; - вариант ДВС в виде композитной конструкции, состоящей из одного из указанных конструктивных вариантов ДВС и двигателя с поршнем, имеющих общие камеры сгорания; - варианты импульсного ДВС и ДВС с поршнем-плунжером, имеющие устройство, создающее только газовое или жидкое трение; - варианты поршневых ДВС, имеющих в качестве устройства, уменьшающего рост давления при подводе тепла в первой части расширения, аккумулятор механической энергии, состоящий из цилиндра аккумулятора, наполненного рабочим телом под давлением равным давлению в конце сжатия, и свободного поршня-затвора.

В свою очередь устройство для реализации заявляемого способа может иметь следующие особенности: - ДВС, у которого потребителем сжатого воздуха или повторно сжатых газов является колонна бурового станка, имеет цилиндр, который механически связан с колонной и соединен с ней через выпускное окно или через выпускные клапаны одной из указанных сред; - устройство, создающее в ДВС только газовое или жидкое трение: - в импульсном ДВС содержит в свободном поршне систему подачи части сжатого в цилиндре воздуха в устройство охлаждения поршня, представляющее из себя вихревые трубки Ранка-Хильша, в устройство вращения поршня-сопла, установленные под углом к направлению вращения поршня и в газодинамический или газостатический, или смешанный смазочно-уплотняющий и охлаждающий слой между поршнем и цилиндром; - в ДВС с поршнем-плунжером, который опирается на две опоры-уплотнения, к опорам подводится смазочная и уплотняющая жидкость или воздух, охлаждающие также цилиндрическую стенку поршня-плунжера, и внутри него имеется система циркуляции жидкости, охлаждающей изнутри и торцевые стенки, при этом если поршень-плунжер имеет выступающую часть в виде поршня компрессора, то этот поршень имеет устройство вращения - сопла, расположенные под углом направления вращения поршня компрессора, смазка и уплотнение которого производится слоем жидкости, растекающейся по поверхности цилиндра компрессора за счет вращения поршня; - механическое устройство с двумя мотылями, передающее полезную мощность, содержит ось, установленную между опорами в середине поршня, на которую шарнирно посажен подвижный мотыль, конец которого шарнирно соединен с мотылем такой же длины, жестко по саженным на приводной вал потребителя полезной мощности, а другой конец оси или жестко связан с соседним поршнем или на этом конце имеются ползуны, контактирующие с направляющими опорами, параллельными оси поршня, при этом такое механическое устройство имеет и расширительная машина с поршнем-плунжером, которой снабжен ДВС для отбора полезной работы или привода компрессора наддува.

Сравнение заявляемого решения с прототипом и аналогами показывает, что заявляемый способ отличается от известного следующими общими существенными признаками: 1. В процессе подвода тепла только к одному рабочему телу в первой части его расширения передают от него механическую работу другому рабочему телу и обеспечивают при этом подводе тепла постоянное давление или уменьшение его роста, затем возвращают от другого рабочего тела механическую работу первому рабочему телу, во второй части расширения подводят к нему тепло при постоянной температуре и третью часть его расширения выполняют без подвода тепла, при этом различные варианты способа осуществляют в специальных для каждого из них устройствах ДВС.

2. В импульсных ДВС и в ДВС с поршнем-плунжером обеспечивают только жидкое или газовое трение, создают среднюю скорость рабочего тела или поршня больше 50 м/с.

3. Во всех поршневых ДВС используют аккумулятор механической энергии, рабочему телу которого передают механическую работу при подводе тепла в первой части расширения, затем возвращают через основное рабочее тело эту работу поршню.

4. Во всех поршневых ДВС создают в конце расширения давление в цилиндре, равное давлению в объеме, в который вытесняют газы поршнем или другой порцией рабочего тела.

5. Во всех поршневых ДВС при 4-тактном цикле и механически связанном движении поршня исключают мертвый объем, образуют камеру сгорания в конце сжатия в аккумуляторе механической энергии при перемещении его поршня-затвора и полностью вытесняют газы при давлении большим, чем давление впуска свежего воздуха, который предварительно сжимают и охлаждают до оптимальных параметров наддува, соответствующих максимальному КПД цикла.

6. Если цикл осуществляют в 2-тактных поршневых ДВС - импульсном или с поршнем-плунжером, то там расширяют газы до давления впуска в цилиндр свежего воздуха, для чего создают в одном цилиндре объем расширения рабочего тела больше объема его сжатия и, при движении поршня в том же направлении, заполняют свежей порцией воздуха часть цилиндра до выпускного клапана или выпускных окон без выпуска из него всех или части газов, а вытесняют их поршнем и затем сжимают воздух за второй такт.

7. В поршневом импульсном ДВС воздух сжимают ступенчато, в промежутках охлаждают его в накопителях-охладителях, кроме того, сжимают еще дополнительную порцию воздуха и совершают ею полезную работу.

8. Если цикл осуществляют в беспоршневом импульсном ДВС, то в качестве поршня используют сами рабочие тела, в которых создают ударные волны, заполняют часть цилиндра свежим воздухом при образовании там минимального давления, сжимают воздух другим предыдущим рабочим телом, отраженным от противоположного конца цилиндра, или волной от этого тела, затем подводят тепло к сжатому воздуху, одновременно отдают механическую работу другому рабочему телу, ускоряют оба рабочих тела, сжимают их при торможении, отражают одно и удаляют к потребителю другое предыдущее рабочее тело, сжатое при взаимодействии с последующим.

9. Во всех указанных ДВС осуществляют этот цикл с отводом полезной работы в расширительной машине с поршнем-плунжером или в газовой турбине, или в воздушном компрессоре и воздушной турбине, или только в воздушной турбине, или в реактивном движителе, или в колонне бурового станка, или в других потребителях сжатого газа или воздуха, или в линейном электрогенераторе, или через механическое устройство с двумя мотылями, или через кривошипно-шатунный механизм.

В свою очередь заявляемый способ отличается от известного следующими частными существенными признаками: 1. В импульсном поршневом ДВС при отводе тепла в одном цилиндре во время второго такта движения поршня один или несколько раз в промежутках между ступенями сжатия удаляют из цилиндра всю порцию частично сжатого воздуха и заменяют ее другой охлажденной порцией, а удаленные порции накапливают в накопителе неохлажденного воздуха, сжимают их в низконапорном компрессоре, охлаждают в воздухоохладителе, подают в накопитель охлажденного воздуха и далее возвращают по одной порции воздуха в цилиндр для дальнейшего сжатия так, что этой порцией и поршнем вытесняют следующую порцию воздуха в тот же накопитель-охладитель.

2. При использовании для наддува поршневого компрессора охлаждают воздух при сжатии путем разбрызгивания в цилиндре и удаления из него охлаждающей воды.

ДВС для осуществления такого способа отличается от известного следующими общими существенными признаками: 1. ДВС имеет устройство, уменьшающее рост давления в одном из рабочих тел при подводе к нему тепла в первой части расширения и устройство, обеспечивающее подвод тепла при постоянной температуре во второй части расширения, а при наличии этих устройств ДВС может иметь различные конструктивные варианты: - ДВС выполнен с поршнем, имеющим поршневые кольца; - ДВС импульсного типа выполнен со свободным поршнем; - ДВС выполнен с поршнем-плунжером, который опирается на две неподвижные опоры-уплотнения и между цилиндрическими поверхностями поршня-плунжера и цилиндра вне опор выполнен минимальный зазор, а цилиндр имеет или одностороннее исполнение или состоит из двух оппозитных частей, между которыми расположен статор линейного электрогенератора, имеющий якорь в поршне-плунжере, или расположен цилиндр компрессора, поршень которого образован выступающей частью поршня-плунжера, или с поршнем-плунжером связано передающее полезную работу длинноходовое механическое устройство с двумя мотылями; - ДВС выполнен как вариант импульсного типа беспоршневой, состоящий из цилиндра, содержащего в одной или обоих концевых частях камеры сгорания, впускные клапаны, выпускные клапаны или выпускное отверстие, а также в нем размещены несколько взаимодействующих рабочих тел, каждое из которых совершает цикл, смещенный по фазе от цикла другого рабочего тела, и поочередно выполняет функции поршня, сжимающего другое рабочее тело, и устройства, уменьшающего рост давления в этом теле при подводе к нему тепла в первой части его расширения; - ДВС выполнен в виде композитной конструкции, состоящей из одного из указанных конструктивных вариантов ДВС и двигателя с поршнем, имеющих общие камеры сгорания.

2. Импульсные ДВС и ДВС с поршнем-плунжером имеют устройство, создающее только газовое или жидкое трение.

3. Поршневые ДВС в качестве устройства, уменьшающего рост давления при подводе тепла в первой части расширения, имеют аккумулятор механической энергии, состоящий из цилиндра аккумулятора, наполненного рабочим телом под давлением, равным давлению в конце сжатия, и свободного поршня-затвора.

В свою очередь ДВС отличается от известного следующими частными существенными признаками: 1. В ДВС, у которого потребителем сжатого воздуха или повторно сжатых газов является колонна бурового станка, цилиндр механически связан с колонной и соединен с ней через выпускное окно или через выпускные клапаны одной из указанных сред.

2. В импульсном ДВС, который имеет устройство, создающее в ДВС только газовое или жидкое трение, свободный поршень содержит систему подачи части сжатого в цилиндре воздуха в устройство охлаждения поршня, представляющее из себя вихревые трубки Ранка-Хильша, в устройство вращения поршня-сопла, установленные под углом к направлению вращения поршня и в газодинамический или газостатический, или смешанный смазочно-уплотняющий и охлаждающий слой между поршнем и цилиндром.

3. В ДВС с поршнем-плунжером, который опирается на две опоры-уплотнения, к опорам подводится смазочная и уплотняющая жидкость или воздух, охлаждающие также цилиндрическую стенку поршня-плунжера, и внутри него имеется система циркуляции жидкости, охлаждающей изнутри и торцевые стенки, при этом если поршень-плунжер имеет выступающую часть в виде поршня компрессора, то этот поршень имеет устройство вращения - сопла, расположенные под углом направления вращения поршня компрессора, смазка и уплотнение которого производится слоем жидкости, растекающейся по поверхности цилиндра компрессора за счет вращения поршня, кроме того, механическое устройство с двумя мотылями, передающее полезную мощность, содержит ось, установленную между опорами в середине поршня, на которую шарнирно посажен подвижный мотыль, конец которого шарнирно соединен с мотылем такой же длины, жестко посаженным на приводной вал потребителя полезной мощности, а другой конец оси или жестко связан с соседним поршнем или на этом конце имеются ползуны, контактирующие с направляющими опорами, параллельными оси поршня.

4. ДВС для отбора полезной работы или привода компрессора наддува имеет расширительную машину с поршнем-плунжером, которая снабжена механическим устройством с двумя мотылями.

Таким образом, сравнение заявляемого решения с прототипом показывает, что это решение соответствует критерию "новизна", а сравнение существа предложенного решения с прототипом показывает, что это решение соответствует критерию "существенные отличия".

Заявляемые способ и устройство иллюстрированы: Фиг. 1 - наиболее близкий к прототипу вариант устройства ДВС, в котором реализуется предлагаемый способ: ДВС с аккумулятором механической энергии, с поршнем, имеющим поршневые кольца, и с кривошипно-шатунным механизмом.

Фиг. 2 - положение поршня в верхней мертвой точке и положение при этом поршня-затвора аккумулятора механической энергии при образовании камеры сгорания и при подводе тепла.

Фиг. 3 - цикл в диаграмме РV 4-тактного ДВС, изображенного на фиг. 1.

Фиг. 4 - сравнение в диаграмме TS предлагаемого реального цикла Карно и смешанного цикла с идеальным циклом Карно.

Фиг. 5 - устройство ДВС с поршнем-плунжером, опирающимся на две опоры, с механически связанным движением поршня; связь осуществлена длинноходовым механизмом с двумя мотылями, преобразующим поступательное движение во вращательное; цилиндры ДВС спарены.

Фиг. 6 - устройство длинноходового механизма с двумя мотылями, преобразующее поступательное движение поршня во вращательное движение приводного вала.

Фиг. 7 - 2-тактный ДВС с поршнем-плунжером и с воздушным компрессором для отбора полезной работы.

Фиг. 8 - цикл в диаграмме PV 2-тактного ДВС с поршнем-плунжером, изображенного на фиг. 7.

Фиг. 9 - 2-тактный ДВС с поршнем-плунжером и с воздушным компрессором наддува для отбора полезной работы.

Фиг. 10 - 2-тактный ДВС с поршнем-плунжером и с линейным электрогенератором для отбора полезной работы.

Фиг. 11 - устройство обеспечения масляной (водяной) смазки и охлаждения поршня-плунжера ДВС, изображенного на фиг. 5, 7, 9 и 10.

Фиг. 12 - импульсный поршневой ДВС со сжатием дополнительной порции воздуха.

Фиг. 13 - цикл в диаграмме PV импульсного поршневого ДВС, изображенного на фиг. 12.

Фиг. 14 - импульсный поршневой ДВС с одной камерой сгорания и с отбором полезной работы в воздушной турбине от воздуха, сжимаемого в конце цилиндра, противоположном камере сгорания.

Фиг. 15 - импульсный поршневой ДВС с двумя камерами сгорания со сжатием дополнительной порции воздуха и со ступенчатым сжатием основной порции воздуха непосредственно в цилиндре.

Фиг. 16 - устройство газовой смазки и охлаждения поршня импульсного ДВС.

Фиг. 17 - беспоршневой импульсный ДВС с одной камерой сгорания и с реактивным движителем.

Фиг. 18 - цикл в PV диаграмме беспоршневого импульсного ДВС с одной камерой сгорания.

Фиг. 19 - беспоршневой импульсный ДВС с одной камерой сгорания и с газовой турбиной.

Фиг. 20 - беспоршневой импульсный ДВС с двумя камерами сгорания.

Фиг. 21 - цикл в диаграмме PV беспоршневого импульсного двигателя с двумя камерами сгорания.

Фиг. 22 - комбинированный ДВС, состоящий из поршневого и импульсного ДВС, имеющих общие камеры сгорания.

На фиг 23 - импульсный поршневой ДВС, выполненный совместно с колонной бурового станка.

Ф