Способ работы двигателя внутреннего сгорания "агрегатно- фазовый термодинамический цикл а.адельшина для двс" и двигатель, работающий по данному циклу

Способ работы двигателя внутреннего сгорания "агрегатно- фазовый термодинамический цикл а.адельшина для двс" и двигатель, работающий по данному циклу

Реферат

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к усовершенствованию термодинамического цикла как способа работы двигателя внутреннего сгорания. Агрегатно-фазовый термодинамический цикл заключается в последовательном и взаимосвязанном изменении термодинамических параметров выхлопного газа как рабочего тела ДВС в результате энергетического разделения в вихревой камере, взаимосвязанной в единую термодинамическую систему с ДВС с образованием единого замкнутого объема. При этом при последовательном воздействии значительных высоких и низких температур с рабочим телом происходят агрегатно-фазовые изменения. По верхней температурной границе с возможностью ионизации всех выхлопных газов, по одному варианту; с возможностью частичной ионизации, по другому варианту; и без возможности ионизации, по третьему варианту. По нижней температурной границе, с возможностью конденсации в замкнутом объеме всех выхлопных газов, по одному варианту; либо их части, по другому варианту. Для осуществления указанного способа конструкция ДВС выполнена так, что машина объемного расширения ДВС и вихревая камера энергоразделения образуют единый замкнутый объем, с едиными взаимозависимыми термодинамическими параметрами, с возможностью создания в этом объеме вакуума. Рассмотрен двигатель, который снабжен дренажной системой для отвода отработавшего сконденсированного рабочего тела ДВС, системой для отвода несконденсировавшейся газовой составляющей отработавшего рабочего тела ДВС, а также двигатель, в котором вихревая камера энергоразделения состоит из последовательно установленных вихревых камер энергоразделения, составляющих взаимозависимую термодинамическую систему; вихревая камера энергоразделения состоит из параллельно установленных вихревых камер энергоразделения, составляющих взаимозависимую термодинамическую систему. Изобретение обеспечивает увеличение коэффициента полезного действия ДВС, увеличение эксплуатационных и улучшение экологических параметров ДВС. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к усовершенствованию термодинамического цикла как способа работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) за счет особых рабочих процессов с использованием кинетической энергии выхлопных газов, сопровождающихся прочими рабочими процессами энергетического разделения в вихревой камере как устройстве термодинамического преобразования и обезвреживания выхлопных газов.

Известен термодинамический цикл А.Адельшина для двигателя внутреннего сгорания без наддува и двигатель внутреннего сгорания, работающий по данному циклу [1]. Он представляет собой расширенный термодинамический цикл С.Карно. И основан на том, что в коллекторе за выпускным клапаном создан вакуум. Последнее обуславливает ускоренное истечение отработавших газов из камеры сгорания с созданием в последней глубокого вакуума. Такое разряжение приводит к принудительному подъему поршня из положения НМТ к ВМТ, т.е. производится дополнительная полезная работа по вращению коленчатого вала. При этом происходит охлаждение стенок цилиндра и поступление неподогретого свежего заряда на высокой скорости. Отсутствие отработавших остаточных газов в камере сгорания повышает коэффициент наполнения. Вакуум создается за счет истечения отработавших газов со сверхзвуковыми скоростями, определенными прохождением через сверхзвуковое сопло.

К недостаткам данного способа работы можно отнести несовершенство в отношении агрегатного состояния рабочего тела в зависимости от режимов работы и соответствующих основных термодинамических параметров, а также сложности создания устойчивого состояния вакуума при помощи указанного в данной заявке двигателя.

Известен также принятый за прототип двигатель внутреннего сгорания [2]. Двигатель содержит корпус с цилиндропоршневой группой, органы газообмена и выпускной коллектор и снабжен вихревым эжектором и дополнительными органами газообмена в виде выпускных клапанов, соединенных трубопроводом с пассивным соплом вихревого эжектора, активное сопло которого соединено с выпускным коллектором. В результате этого цилиндры двигателя через выпускные клапаны подключены к источнику разряжения в виде вихревого эжектора. Кроме того, дополнительные выпускные клапаны соединены трубопроводом с приосевой зоной камеры смешения вихревого эжектора. Также размещение вихревого эжектора между радиатором охлаждения двигателя и двигателем обеспечивает засасывание окружающей среды эжектором через радиатор и охлаждение теплоносителя в этой системе.

Предлагаемое техническое решение обладает новыми свойствами - удаление отработавших газов из цилиндра до подачи воздуха в него, отсутствие перекрытия клапанов впускных и выпускных, отсутствие продувки цилиндра воздухом, увеличение скорости удаления отработавших газов и впуска воздуха в цилиндр, уменьшение работы по удалению отработавших газов из цилиндра, увеличение работы расширения, полноты удаления отработавших газов из эффективного объема цилиндра, улучшение экологической характеристики двигателей, шумоподавление и использование вихревого эжектора для охлаждения двигателя, обеспечивает существенное увеличение мощности двигателя, повышение экономичности и коэффициента полезного действия, а также уменьшение выбросов токсичных веществ в окружающую среду.

К недостаткам данного двигателя надо отнести сложность выхода вихревого эжектора как основного рабочего органа системы на постоянный автомодельный режим при цикличном выхлопе ДВС. Также не определены агрегатные состояния рабочего тела и его основные термодинамические характеристики. Связи с чем при работе реального ДВС ряд отличительных положительных результатов, видимо, трудно достижим.

Целью изобретения является увеличение коэффициента полезного действия ДВС, увеличение эксплуатационных и улучшение экологических параметров ДВС.

Достигается указанный технический эффект согласно изобретению тем, что способ работы двигателя внутреннего сгорания, представляющий замкнутый термодинамический цикл, содержащий циклы изохорного, изобарного подвода тепла при сгорании топливовоздушной смеси, адиабатного расширения сгоревших газов, изохорного отвода тепла в момент их выхлопа из ДВС и адиабатного сжатия нового свежего заряда, заключающийся в том, что в ДВС с вихревой камерой энергоразделения, объединными в единую взаимозависимую термодинамическую систему с единым замкнутым объемом, выхлопные газы выпускают в вихревую камеру, где последовательно разделяют газовый поток на холодный приосевой с низким давлением и горячий вихревой с высоким давлением, в котором значительно нагревают выхлопные газы и осуществляют значительные необратимые физико-химические преобразования, с возможностью агрегатно-фазового перехода их химически составляющих элементов в состояние слабоионизированного газа; компенсируют и значительно охлаждают оставшийся горячий вихревой поток при помощи холодного приосевого потока с преобразованием общих термодинамических и физико-химических параметров выхлопных газов с возможностью агрегатно-фазового перехода их химически составляющих элементов в состояние жидкости, с последующим отводом ее в дренаж; конденсируют выхлопные газы и получают в замкнутом объеме единой термодинамической системы значительный по модулю, длительный по времени действия вакуум и совершают дополнительный положительный рабочий ход машиной расширения ДВС как вакуумным двигателем.

По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что выхлопные газы нагревают с возможностью частичной ионизации их химически составляющих элементов.

По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что выхлопные газы нагревают без возможности ионизации их химически составляющих элементов.

По другому варианту осуществления способа работы, заключающемся в том, что выхлопные газы охлаждают с возможностью частичной конденсации их химически составляющих элементов.

Для достижения указанного технического эффекта применительно к известной из уровня техники конструкции ДВС, содержащей машину объемного расширения, сообщенную с вихревой камерой энергоразделения, предпочтительно согласно изобретению выполнить конструкцию ДВС так, что машина объемного расширения ДВС и вихревая камера энергоразделения образуют единый замкнутый объем, с едиными взаимозависимыми термодинамическими параметрами, с возможностью создания в этом объеме значительного по модулю, длительного по времени действия вакуума.

По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что он снабжен дренажной системой для отвода отработавшего сконденсированного рабочего тела ДВС.

По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что он дополнительно снабжен системой для отвода несконденсировавшейся газовой составляющей отработавшего рабочего тела ДВС.

По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что вихревая камера энергоразделения состоит из последовательно установленных вихревых камер энергоразделения, составляющих взаимозависимую термодинамическую систему.

По другому варианту осуществления конструкции ДВС, заключающемся в том, что вихревая камера энергоразделения состоит из параллельно установленных вихревых камер энергоразделения, составляющих взаимозависимую термодинамическую систему.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточных для достижения указанного технического эффекта.

С целью пояснения физической природы предлагаемого способа работы как цикличного термодинамического процесса необходимо определить физические параметры и их зависимости. Так основными термодинамическими параметрами для определенного рабочего тела (газа) являются температура, объем и давление. Температура характеризует тепловое состояние тела. Тепло может самопроизвольно переходить лишь от более нагретых тел к менее нагретым. Таким образом, температуры тел определяют направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами. Абсолютное давление представляет собой силу, действующую по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности. Удельный объем вещества представляет собой объем, занимаемый единицей плотности вещества.

При отсутствии внешних воздействий на систему состояние чистого вещества однозначно определено, если заданы два независимых параметра. Любой другой параметр является однозначной функцией двух заданных параметров. Для каждого вещества характер функциональной связи между давлением, объемом и температурой индивидуален. Любые три параметра состояния однозначно связаны между собой.

Если хотя бы один из параметров состояния меняется, происходит термодинамический процесс, представляющий совокупность изменяющихся состояний системы. Неравновесным называется процесс, при протекании которого система не находится в состоянии равновесия (т.е. различные части системы имеют различные температуры, давления, плотности, концентрации и т.д.). Любой реальный процесс является в большей или меньшей степени неравновесным (выдержки со стр.6-11 из [3]).

Изопроцессами называются термодинамические процессы, протекающие в системе с неизменной массой при постоянном значении одного из параметров состояния системы. Изохорическим (изохорным) процессом называется термодинамический процесс, протекающий при постоянном объеме системы. Изохорный процесс в идеальном газе описывается законом Шарля: при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его абсолютной температуре. Изобарическим (изобарным) называется процесс, при котором давление сохраняется постоянным. Для изобарного процесса в идеальном газе справедлив закон Гей-Люссака: при настоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре. Изотермическим (изотермным) называется термодинамический процесс, протекающий при неизменной температуре. Изотермический процесс в идеальном газе подчиняется закону Бойля-Мариотта: для данной массы газа при неизменной температуре произведение численных значений давления и объема есть величина постоянная. Адиабатическим (адиабатным) процессом называется термодинамический процесс, который осуществляется в системе без теплообмена ее с внешними телами (выдержки со стр.88-90 из [4]).

Также из технической термодинамики известно, что вещества обычно пребывают в одном из трех основных агрегатных состояний: в виде газа, жидкости или твердого тела. Также существует четвертое состояние - ионизированный газ или плазма. Очевидно, что одно и то же тело (вещество) при разных условиях может находиться в различных агрегатных состояниях в зависимости от основных термодинамических параметров, которыми являются абсолютная температура, абсолютное давление и удельный объем (плотность) тела.

Фазовым переходом называется переход вещества из одной фазы в другую, сосуществующую с первой. Говоря о фазах чистого вещества, обычно имеют в виду агрегатные состояния вещества и поэтому говорят о газовой, жидкой и твердой фазах. Вещество в различных агрегатных состояниях имеет различные физические свойства, и частности плотность. Это различие объясняется характером межмоллекулярного взаимодействия. Принята следующая классификация точек фазового перехода: точка перехода "жидкость - пар" называется точкой кипения (она же точка конденсации), точка перехода "твердое тело - жидкость" называется точкой плавления (она же точкой затвердевания), а точка перехода "твердое тело - пар" называется точкой сублимации (выдержки со стр. 135-136 из [3]).

Таким образом, при надлежащем соотношении давления и температуры существование газообразной фазы данного количества рабочего тела ДВС возможно от точки твердой фазы, жидкостной фазы, газообразной фазы и до точки фазы слабоионизированного газа. При значительном разогреве газа происходят последовательно процессы его диссоциации с последующим распадом межмоллекулярных связей на ионы, его ионизацией. Данный процесс возможен при значительных температурах и давлениях. В общем случае для рабочего тела ДВС - это верхняя граница агрегатно-фазового перехода "газ - слабоионизированный газ". Данное состояние сопровождается значительными физико-химическими необратимыми преобразованиями рабочего тела ДВС, т.е. выхлопного газа.

При значительном охлаждении данной массы рабочего тела происходит явление перехода фазы "жидкость - пар", т.е. конденсация. Конденсация возможна при значительном уменьшении температуры, и соответственно учитывая, как правило, линейную зависимость, вызывает значительное уменьшение давления в некотором объеме. Также возможно охлаждение и до твердой фазы, но учитывая, что жидкости трудно сжимаемы, а вода, например, вообще увеличивает объем при переходе в лед, то данное состояние мало пригодно для осуществления предлагаемого способа работы.

Таким образом, физическая сущность предлагаемого способа работы состоит в том, что в некотором параметрально определенном, замкнутом объеме V (или условно замкнутом) при охлаждении до некоторой температуры Т некоторой условной массы газа m как рабочего термодинамического тела происходит линейное снижение давления р в данном объеме V. При некотором снижении температуры происходит конденсация и переход рабочего тела, газа, в другое агрегатное состояние, в жидкость, со значительным уменьшением давления в данном объеме. Вплоть до состояния устойчивого, длительного по времени существования вакуума. И если к данному объему конструктивно присоединена машина объемного расширения, то она способна совершить некоторый положительный рабочий ход, типично как вакуумный двигатель.

Последовательно, данный физический эффект согласно изобретению достигается путем использования способа последовательного цикличного преобразования выхлопных газов ДВС (рабочего тела ДВС) и его термодинамических параметров в результате его энергетического разделения в вихревых энергоразделительных камерах на основе эффекта Ранка. Конструктивно это достигается использованием вихревой камеры энергетического разделения совместно с ДВС в единой термодинамической системе, взаимозависимой по основным параметрам. При этом с такими взаимозависимыми термодинамическими параметрами относительно термодинамических параметров рабочего тела ДВС и параметров ДВС, что достигается новый наилучший качественный эффект - эффект энергетического разделения газа как рабочего тела ДВС. Следует понимать, что достижение заявляемого технического результата возможно только при соответствующих параметрах и рабочих настройках данной единой термодинамической системы. Термодинамические, конструктивные параметры единой термодинамической системы являются расчетными, оригинальными для каждого технического варианта исполнения. Этим и достигается энергетическое разделение выхлопного газа, компенсация потоков, их охлаждение, конденсация и создание в едином объеме вакуума, как последовательная новая совокупность технических признаков, необходимых для достижения наилучшего результата.

С целью пояснения физической природы основного рабочего эффекта надо пояснить. Вихревой эффект, или эффект Ранка, представляет сложный газодинамический процесс, происходящий в пространственном турболентном потоке вязкого сжимаемого газа.

"Основываясь на экспериментальных данных, сущность эффекта Ранка можно изложить следующим образом. Сжатый газ, вытекая через тангенциальное сопло в гладкую трубу с большой скоростью, образует интенсивный вихрь. Под действием центробежных сил частички газа не могут переместиться к центру трубы, они движутся, вращаясь около стенок, и выходят в атмосферу через вентиль. В центре вращающегося газа образуется вакуум, и воздух через диафрагму засасывается из атмосферы. Если прикрывать вентиль, то давление внутри трубы будет повышаться, подсасывание атмосферного воздуха прекратиться. При дальнейшем прикрытии вентиля часть газового потока перед вентилем будет "переходить на меньший радиус", двигаясь к диафрагме и через нее вытекать в атмосферу. При переходе с "большего радиуса на меньший" согласно закону сохранения момента количества движения окружная скорость должна возрасти так, чтобы ее произведение на радиус осталось неизменным: Vqr=const.

Таким образом, чем ближе к центру трубы будет перемещаться струйка газа, тем большую скорость она будет иметь. Так как реальный газ обладает вязкостью, то каждая струйка будет тормозить соседнюю, находящуюся ближе к центру, и отнимать у нее энергию. Вследствие этого в вихревом потоке произойдет передача энергии от оси к периферии, поэтому энергия периферийных слоев газа будет расти, осевых - падать. После передачи избыточной энергии осевые слои газа станут вращаться почти по закону твердого тела. В то же время из-за снижения статической температуры струек по направлению к оси будет наблюдаться передача тепла теплопроводностью газа. Передача энергии от осевых слоев газа к периферийным происходит на некоторой длине трубы. Чем большую энергию нужно отобрать от осевых слоев газа, тем больше должна быть длина вихревой зоны трубы" (согласно гипотезе В.И.Кузнецова из [5]).

Последовательно, в результате этого в процессе энергетического разделения газа в вихревом потоке с ним происходят необратимые физико-химические преобразования в результате воздействия высоких температур, увеличения давления и объема в зоне вихревого потока.

Для пояснения данного обоснования надо определить, чем является рабочее тело ДВС. По существу это смесь газов. При этом согласно закону Дальтона каждый отдельный газ в газовой смеси ведет себя так, как будто он один при температуре смеси занимает весь объем смеси. Иными словами, каждый отдельный газ, входящий в газовую смесь, имеет такое давление, какое он имел бы, если бы он один занимал весь объем газовой смеси. Это давление называется парциальным давлением (выдержка со стр. 20 из [3]).

Выхлопные газы ДВС как рабочее тело являются сложной нестационарной физико-химической системой с динамически изменяемыми во времени, термодинамическими и химическими параметрами. На данном уровне развития техники не существует четкой физико-математической модели расчета данной термодинамической системы в динамике расширения и на практике при проектировании выпускных систем и глушителей, как правило, применяют эмпирические методы, исходя из потребностей объекта конструирования.

Также кроме продуктов полного сгорания - углекислого газа и паров воды в выпускных газах ДВС содержатся вещества, обладающие токсическим действием. Это продукты неполного сгорания топлива: окись углерода СО, углеводороды различного состава и строения СН, в том числе пары несгоревшего топлива, сажа, а также окислы азота воздуха NOx, образующиеся при высоких температурах в процессе сгорания.

Окись углерода СО образуется при горении богатой смеси вследствие недостатка кислорода для полного окисления топлива. Образование углеводородов СН связано с замедлением и даже полным прекращением реакций окисления в тонком пристенном слое топливовоздушной смеси в камере сгорания. Интенсивная теплоотдача от газа в стенки настолько снижает скорость горения, что топливо не успевает догорать. Азот, химически инертный при атмосферных условиях, при высокой температуре реагирует с кислородом. Реакция протекает довольно быстро при температуре, большей 2300 К, причем образуется в основном окись азота. В атмосферном воздухе происходит медленное окисление NO в двуокись азота NО₂, токсичность которой значительно выше токсичности NO (выдержки со стр. 36-37 из [6]).

Из (со стр. 40-49 из [7]) известно про реакции окисления топлив. Соотношение между количеством исходных продуктов (топливо плюс воздух) и продуктов сгорания может быть найдено из уравнений химических реакций при следующих допущениях: все химические соединения состоят из атомов отдельных элементов, связанных между собой в определенных численных соотношениях; при химических реакциях атомы сохраняют свою индивидуальность и происходит только их перегруппировка.

Полное окисление (сгорание) молекулы СхНу до конечных продуктов (диоксида углерода СO₂ и водяного пара H₂O) описывается уравнением (исходные данные и конечные продукты реакции даны в кмолях): СхНу+(х+у/4)O₂=хСO₂+у/2Н₂О (далее формулы и их разъяснение со стр. 40).

Минимальное количество кмолей кислорода Lo, необходимое для полного сгорания топлива и определяемое на основании данного уравнения, называется стехиометрическим.

Если количество кислорода меньше, то окисление будет неполным. При неполном окислении (сгорании) часть углерода окисляется лишь до СО (оксид углерода), а часть водорода не сгорает вообще.

С уменьшением количества кислорода в ТВС (топливовоздушной смеси) в продуктах сгорания будет увеличиваться содержание СО и Н₂ и уменьшатся содержание H₂O и СО₂. При доле углерода, окислившегося до СО, равном доле несгоревшего водорода, в продуктах сгорания будут содержаться только оксид углерода СО и несгоревший водород ₂.

Объемы исходных компонентов и продуктов сгорания могут отличаться из-за разницы числа кмолей свежего заряда M1 и продуктов сгорания М2.

При полном сгорании приращение числа кмолей и увеличение объема продуктов сгорания происходят только из-за окисления водорода и образования из одной молекулы О₂ двух молекул Н₂О (см. уравнение). При неполном сгорании прирост объема больше, так как кроме окисления Н₂ в Н₂О (одна молекула O₂ - две молекулы H₂O) происходит неполное окисление С в СО (одна молекула O₂ - две молекулы СО).

Для осуществления рабочего цикла существенное значение имеют такие свойства топлив, как теплота сгорания и испарения, теплоемкость, теплопроводность и др. Из них наиболее важной является теплота сгорания. Горение топлива относится к экзотермической реакции, т.е. идет с выделением теплоты. Теплотой сгорания называют тепловой эффект реакций, идущих с образованием СO₂ и Н₂О. Так как вода в продуктах сгорания может находится в парообразном и жидком состоянии, то вводят соответственно низшую Ни и высшую Нв теплоту сгорания, разность между которыми равна скрытой теплоте парообразования воды; Ни = Нв - 2,512 М H₂O.

В поршневых ДВС и газовых турбинах продукты сгорания не охлаждаются до температуры, при которой происходит конденсация водяного пара, поэтому в расчетах принимают низшую теплоту сгорания Ни.

В двигателях с внешним смесеобразованием избыток воздуха, соответствующий окислению всего топлива до СО, практически никогда не имеет место, поэтому углерод в продуктах сгорания отсутствует. В дизелях условия смесеобразования таковы, что есть зоны, где данный избыток воздуха больше, и в процессе сгорания может образовываться несгоревший углерод.

Также при высоких температурах продукты сгорания разлагаются на более простые составные части. Этот процесс называется термической диссоциацией, он идет с поглощением теплоты.

Например, диссоциация СO₂ и Н₂О описывается следующим образом: Теплота диссоциации возвращается (рекомбинация) при снижении температуры на линии расширения (выдержки со стр. 72 из [7]).

Безусловно, приведенный пример химического взаимодействия достаточно условен. Так как существует ряд других продуктов сгорания (оксиды азота и серы, несгоревшие углеводороды, оксиды свинца и др.). Они не учитываются в энергетических расчетах, но оказывают существенное воздействие на экологические характеристики. Таким образом, устранение данных вредных продуктов сгорания возможно в процессе из термического преобразования в зоне вихря. Вплоть до возможности ионизации и последующей рекомбинации.

Также "При достаточно высокой температуре, когда энергия теплового движения атомов (молекул) велика, они могут ионизировать друг друга за счет кинетической энергии сталкивающихся частиц - происходит термическая ионизация. Значительной интенсивности она достигает, начиная с температур ~ 1000-10000 К, например в дуговом разряде, ударных волнах, в звездных атмосферах. Степень термической ионизации газа как функция его температуры и давления оценивается Саха формулой для слабоионизированного газа в состоянии термодинамического равновесия.

...Процессом, обратным ионизации, является рекомбинация ионов и электронов - образование из них нейтральных атомов и молекул. Защищенный от внешних воздействий газ при обычных температурах в результате рекомбинации очень быстро переходит в состояние, в котором степень его ионизации пренебрежимо мала. Поэтому поддержание заметной ионизации в газе возможно лишь при действии внешнего ионизатора (потоки частиц фотонов, нагревание до высокой температуры). При повышении степени ионизации ионизированный газ превращается в плазму, резко отличающуюся по своим свойствам от газа нейтральных частиц" (со стр. 229-230 из [8]).

Действительно, при высоких температурах в одноатомном газе происходит процесс термической ионизации - отрыв электронов с внешней электронной оболочки атома. В результате этого процесса образуется смесь отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных ионов и электрически нейтральных атомов. Эта смесь электрически заряженных и нейтральных частиц является электропроводной. Состав этой смеси определяется давлением и температурой смеси. Следует понимать, что ионизация идет лишь в начальной зоне вихря и по времени занимает малый промежуток до рекомбинации и конденсации. Поэтому на детали ДВС такие температуры оказывают незначительные воздействия.

Также надо отметить, что прохождение газов через вихревое сопло вихревой камеры также сопряжено со значительными изменениями. Так, изменение сверхзвукового потока в суживающемся канале вихревого сопла сопровождается рядом скачков уплотнения внутри канала, которые вызывают заметные изменения в термодинамических параметрах рабочего тела.

Согласно изобретению существуют также и пограничные температурные состояния. Так, один из вариантов осуществления способа работы состоит в том, что температура нагрева является достаточной для нагрева до ионизации только части химических составляющих газа. Этот режим является термически переходным, и в рассчитанной термодинамической системе "ДВС - вихревая камера" может возникать только на ряде режимов работы ДВС, например при прогреве. По другому варианту осуществления нагрев осуществляют без возможности ионизации. Оба эти режима являются режимами конкретного технического варианта изготовления двигателя. Они могут быть как переходными при его работе, так и самостоятельными рабочими режимами для конкретного варианта ДВС. Вместе с тем надо учитывать, что физико-химические процессы преобразования над выхлопным газом могут идти в каждом из режимов с некоторыми отклонениями. То есть, для одной и той же реакции химических составляющих рабочего тела ДВС состояние равновесия химической реакции зависит от ряда условий и прежде всего от температуры.

Таким образом, при значительном нагреве рабочего тела в вихревой камере энергетического разделения в зоне вихря с химическими составляющими элементами газовой смеси происходят значительные необратимые термохимические окислительные реакции, реакции диссоциации и ионизации, сопровождающиеся значительными физико-химическими изменениями выхлопных газов ДВС как рабочего тела общей термодинамической системы.

В результате этого в зоне высоких температур изменяются основные физико-химические и термодинамические параметры выхлопного газа как основного рабочего тела ДВС.

Последовательно, в результате этого в приосевой зоне вихревой камеры энергетического разделения возникает приосевой поток, имеющий низкую температуру и давление. При расширении вихревого потока, наступает момент его торможения приосевым потоком, сопровождающийся их взаимной компенсацией и выравниванием их общих термодинамических параметров. Потоки компенсируются и общее рабочее тело охлаждается.

Следует отметить, что осевой, центральный поток образуется в результате сложного газодинамического эффекта разделения в вихревой камере. Этот поток изначально имеет давление значительно меньшее, чем атмосферное. Имеет значительно более низкую температуру, вплоть до области температур, близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина.

Так, из (выдержки со стр. 188-190 из [9]) известно, что "циклы вихревых труб являются, как правило, разрывными, т.е. процесс сжатия рабочего тела отделен от процесса температурного разделения, в результате которого образуется холодный поток, используемый для целей охлаждения.

Процесс температурного разделения воздуха в вихревой трубе (рис. V-9) может быть упрощенно представлен в S, Т-диаграмме; 1 - точка, характеризующая начальное состояние воздуха перед соплом при температуре Т=То.ср. и давлении р; 2 и 3 - точки, характеризующие состояние холодного и горячего воздуха после процесса разделения в вихревой трубе; 4 - точка, характеризующая состояние воздуха, засасываемого в компрессор.

Цикл состоит из процессов 1-2 и 1-3, совершающихся одновременно в вихревой трубе, изобарных процессов 2-4 и 3-4 и процесса сжатия 4-1 в изотермическом компрессоре. При адиабатном сжатии в компрессоре вместо процесса 4-1 следует рассматривать процессы 4-5 и 5-1.

Поток воздуха, поступающий тангенциально к внутренней поверхности трубы, совершает вращательное движение по отношению к оси трубы. Периферийная часть образовавшегося вихревого потока перемещается по горячему концу 3 (рис. V-10) к дросселю 4, где часть потока выводится из трубы по кольцевой щели при температуре Тг. Остальная часть воздушного потока движется по центральной части трубы противотоком к периферийному потоку и выводится через отверстие 1 диафрагмы при температуре Тх. Энергообмен между центральной и периферийной частями вихревого потока характеризуется существенной необратимостью, поэтому процесс расширения холодного потока воздуха изображается не изоэнтропой (1-2, см. рис. V-1), а необратимой политропой 1-2)." Таким образом, внутри вихревой камеры энергетического разделения происходят сложные необратимые процессы. Более того, существенное значение на термодинамику вихревой камеры имеет тот факт, что процесс выхлопа, как правило, исходя из цикличности работы основного типа ДВС, также является цикличным. То есть, рабочее тело имеет четко определенные единичные параметры массы, температуры, давления и т.д. И все возможные преобразования над данной единицей рабочего тела происходят за один цикл. За этот цикл с данным рабочим телом совершаются последовательные изменения, которые являются необратимыми и преобразующими рабочее тело.

Следует отметить, что вихревая камера энергетического разделения, применяемая на данном цикличном типе двигателя, в наиболее простом варианте является самовакуумирующейся. То есть, используемой для получения минимальных температур внутри самой трубы, работающей, как правило, без отвода холодного потока (самовакуумирующиеся вихревые трубы, где М=0) (согласно стр. 188 из [9]). Также следует понимать, что наиболее известные из уровня техники вихревые камеры энергоразделения - это холодильные вихревые машины, в которых постоянно подается сжатый воздух при постоянном давлении и есть постоянный автомодельный режим.

В данном же случае вихревая камера работает в сложном и малоизученном на данном периоде экспериментальных исследований режиме. Это цикличный самовакуумирующийся автомодельный режим. Исходя из этого, в упрощенном варианте его можно представить следующим образом.

Вначале происходит процесс создания вихревого потока. Так, исходя из примера поршневого ДВС, выхлопной газ истекает на докритических скоростях (600-800 м/с) в вихревое сопло камеры, где дросселируется и разогревается. При этом изменяются его основные термодинамические параметры, в частности температура и скорость истечения. Можно утверждать возможность существования гиперзвукового течения газа в первичной зоне вихря. Собственно, в этой зоне и осуществляется значительный разогрев рабочего тела ДВС. Далее, образовав вихрь и интенсивно вращаясь вдоль стенок камеры, данная порция газа расширяется и теряет свои скорость, температуру и давление. При этом наступает момент, когда весь (или почти весь) выхлопной газ из цилиндра попадает в вихревую камеру. То есть, вся масса газа за конкретный единичный цикл выхлопа истекает из цилиндра. В цилиндре образуется некоторое разрежение как следствие волнового процесса истечения. При этом дальнейшего истечения газа из цилиндра нет. Порцию газа внутри вихревой камеры ничто не подталкивает и ее течение в какой-то промежуток времени еще идет по инерции. В этот временной период в приосевой зоне уже существует приосевой поток, имеющий низкую температуру и низкое давление, вплоть до значительного вакуума. Далее происходит процесс, при котором данный приосевой поток одновременно проникает в цилиндр и одновременно тормозит вихревой поток. Образно, он как бы подсасывает его обратно. В результате этого вихревой поток полностью останавливается и компенсируется, т.е. давление и температура потоков выравниваются в едином объеме. Так, в общем случае, и происходит данный сложный термодинамический процесс по выравниванию давления, температуры в данном общем объеме вихревой камеры и машины расширения ДВС. При этом все последовательные процессы протекают во времени очень быстро. Эти процессы протекают на одном этапе в едином замкнутом объеме, т.е. как изохорические. И на другом этапе с выравниванием давлений, т.е. как изобарические.

Безусловно, данный процесс малоизучен на данном уровне техники. Вместе с тем, можно утверждать, что в цикличной самовакуумирующейся вихрев