способ работы теплового двигателя с внешним подводом тепла и двигатель для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ работы теплового двигателя с внешним подводом тепла, включающий испарительное расширение рабочего тела при максимальном давлении, перегрев его пара до максимальной температуры, расширение пара с отбором работы и падением давления до минимального, регенеративное охлаждение пара, конденсационное сжатие в жидкость с отводом тепла, повышение давления полученной жидкости и ее регенеративный подогрев, отличающийся тем, что расширение пара с отбором работы проводят изотермически путем подвода внешнего тепла, а испарительное расширение тела и перегрев его пара проводят за счет регенеративного нагревания, при этом максимальное давление доводят до закритического значения.

2. Тепловой двигатель, содержащий паровой котел, внешний источник тепла, расширительную машину, холодильник-конденсатор, подкачивающий жидкостный насос и систему тепловых генераторов, отличающийся тем, что расширительная машина имеет цилиндро-поршневую конструкцию, выполненную с возможностью подвода тепла в цилиндр от внешнего источника, паровой котел выполнен в виде ресивера пара, а система тепловых регенераторов состоит из двух частей основного регенератора, включенного между цилиндром и котлом через впускной клапан, и дополнительного регенаратора с двумя проточными контурами, один из которых включен между основным регенератором и холодильником-конденсатором через выпускной клапан, а второй между холодильником-конденсатором и котлом через подкачивающий жидкостной насос.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, к способам повышения КПД тепловых двигателей с внешним подводом тепла (внешнего сгорания).

Известен способ работы теплового двигателя (ТД) по замкнутому газовому циклу Карно (Седов Л. И. Механика сплошной среды, М. Наука, 1970, т.1, с. 25-232). Он включает процессы изотермического сжатия с отводом тепла при минимальной температуре, адиабатное сжатие с повышением температуры от минимальной до максимальной, изотермическое расширение с отбором работы и подводом тепла при максимальной температуре и адиабатное расширение с понижением температуры от максимальной до минимальной. Термический КПД _т этого способа предельно высок



где Т_х минимальная температура по шкале Кельвина (в холодильнике);

Т_н максимальная температура подвода тепла (в нагревателе).

Соответствующий двигатель можно представить себе в виде цилиндра с поршнем, содержащих замкнутый рабочий газ, горячего источника (горелки), холодильника и устройства для попеременного их подвода к цилиндру с приведением в состояние теплообмена на изотермических интервалах цикла.

Однако, в чистом виде способ неосуществим. Чтобы приблизиться к нему в реальных конструкциях, нужно изотермические процессы проводить очень медленно, а адиабатные очень быстро. Кинематическая организация такого "рваного" ритма крайне затруднительна. Способ Карно требует для приемлемого перепада Т_н Т_х очень больших степеней сжатия и перепадов давления, не позволяющих избежать больших механических потерь. Принято считать, что способ не имеет перспективы целесообразного воплощения и служит лишь теоретическим эталоном для оценки совершенства других способов по достижимому _т их цикла.

Известен способ (авт. св. СССР N 1802193, кл. F 02 G 1/00, 15.03.93), который включает изотермическое сжатие газа с отводом тепла, адиабатное сжатие с повышением температуры, изобарное расширение с подводом тепла от внешнего источника и адиабатное расширение с понижением температуры и давления до исходных значений. Двигатель для осуществления такого цикла содержит основную цилиндропоршневую пару с отдельным источником высокотемпературного тепла (камерой внешнего сгорания), дополнительную цилиндропоршневую пару с холодильником, многоклапанную систему газораспределения и кинематическое устройство, обеспечивающее превышение угловой скорости хода вспомогательного поршня над основным.

По сравнению с предыдущим, способ легче осуществим и немного проигрывает в _т. Однако из-за очень больших степеней сжатия, наличия большого числа высокотемпературных клапанов и кинематической сложности воплощение в конструкцию вряд ли целесообразно.

Известен способ по замкнутому газовому циклу Стирлинга (Уокер Г.Двигатели Стирлинга. М. Машиностроение, 1985). Он включает повышение температуры и давления газа с подводом тепла от регенератора, почти изотермическое расширение с отбором работы и подводом тепла от внешнего источника, понижение температуры и давления за счет отвода тепла в регенератор и почти изотермическое сжатие с отводом тепла в холодильнике. Благодаря применению регенерации тепла его подвод осуществляется при почти постоянной максимальной температуре, а отвод тепла в холодильник при почти минимальной. В силу этого _т цикла практически не отличается от значения (1). Двигатель Стирлинга содержит рабочую цилиндропоршневую пару для производства сжатия-расширения и вспомогательную пару с поршнем-вытеснителем для циклических изменений режима теплообмена. Целесообразность двигателей Стирлинга подтверждается практикой. В силу замкнутости газовой и смазочной систем они обладают очень большим рабочим ресурсом. Их топливная экономичность самая высокая из всех известных, а ход отличается максимальной плавностью, уравновешенностью и бесшумностью.

Несмотря на это, использование способа ограничено из-за ряда значительных недостатков. Цикл может быть организован эффективно лишь при небольших перепадах давления P_m/P_o 1,5 (P_m максимальное, а P_o минимальное давление). При атмосферном значении P_o среднецикловое давление (точнее разность)



оказалось бы микроскопическим. Соответственно малой оказалась бы и литровая мощность, то есть двигатель оказался бы чрезвычайно громоздким и тяжелым. Стремление снизить массу двигателя путем увеличения литровой мощности за счет привело к тому, что современные двигатели Стирлинга имеют P_o до 150 и даже до 200 атм. Это усложняет конструкцию наличием резервных емкостей высокого давления, перекачивающих насосов и узлов герметизации. Двигатель Стирлинга сам по себе не прост, что также увеличивает его массу и стоимость. Стремление снизить взрывоопасность при ограниченной массе за счет применения высокосортных материалов также увеличивает стоимость.

Известен способ по паросиловому циклу Карно (Кириллин В.А. Сычев В.В. Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М. Энергоатомиздат, 1983, с. 293-295), который включает испарительное расширение рабочего тела по изотерме-изобаре с подводом тепла при максимальной температуре, адиабатное расширение пара с отбором работы и повышением влажности, конденсационное сжатие пара по изотерме-изобаре с отводом тепла при минимальной температуре и дальнейшим повышением влажности пара и дальнейшее сжатие пара до жидкого состояния по адиабате. В силу изотермичности подвода и отвода тепла _т выражается формулой (1). Соответствующий ТД довольно прост. Он включает паровой котел с внешним источником тепла (пламенная топочная система), расширительную машину (паровую турбину), холодильник-конденсатор и сжимающую машину (компрессор).

Большой недостаток способа низкий полный КПД , обусловленный очень высокими газодинамическими потерями энергии в проточных каналах из-за аномально высокой вязкости влажного пара. Поэтому способ не нашел применения, если не считать минувшего века поршневых машин Уатта.

Наиболее близким к предлагаемому решению (прототипом) является способ по паросиловому циклу Клаузиуса-Ренкина (Кириллин В.А. Сычев В.В. Шейндман А.Е. Техническая термодинамика. М. Энергоатомиздат, 1983, с. 295-301, 316-320), который включает следующие процессы:

испарительное расширение рабочего тела при максимальном давлении;

перегрев его пара до максимальной температуры;

расширение пара с отбором работы и понижением давления до минимального;

регенерационное охлаждение отработанного пара;

конденсационное сжатие пара до жидкого состояния с отводом тепла;

повышение давления полученной жидкости до максимального;

регенерационный подогрев этой жидкости.

Первые два процесса осуществляют за счет подвода тепла от внешнего источника, а третий процесс организуют адиабатно, т.е. без теплообмена. Соответствующий ТД (там же, с. 317, рис. 11.27) содержит внешний источник тепла, паровой котел, пароперегреватель, расширительную машину (паровую турбину), холодильник-конденсатор, систему подкачивающих жидкостных насосов, систему тепловых регенераторов.

Благодаря перегреву пара в сухой газ и полной конденсации отработанного пара в жидкость потери энергии в проточных каналах двигателя сокращаются до минимума, что ведет к повышению h. Применение перегрева увеличивает напор Т_н Т_х, что поднимает значение h_т. Применение частичной (в сокращенном интервале температур) регенерации тепла также увеличивает значение _т, а следовательно и полного КПД . В результате уровень h удается довести до 0,35-0,37, что примерно соответствует уровню дизельных ДВС (h 0,37-0,39).

Однако, вследствие частичности тепловой регенерации и связанной с этим существенной неизотермичности подвода тепла, полный КПД оказывается недостаточно высоким. В частности, ТД по данному способу заметно проигрывает двигателю Стирлинга (h_т= 0,7, 0,4-0,42). Кроме того, применяемые для расширения пара турбины обладают очень узкими пределами рабочих угловых скоростей и очень медленно переходят с режима на режим при регулировании мощности. Иными словами, обладают очень плохими динамическими и регулировочными качествами. Из-за этого такие двигатели несовместимы с динамичными видами транспорта, например, с автомобилями, и со многими другими потребителями механической работы. Область их применения ограничена тепловыми электростанциями и судовыми установками большой мощности.

Задачей изобретения является повышение КПД и улучшение динамических и регулировочных качеств теплового двигателя.

Это достигается тем, что в способе работы ТД с внешним подводом тепла, включающем испарительное расширение рабочего тела при максимальном давлении, перегрев его пара до максимальной температуры, расширение пара с отбором работы и падением давления до минимального, регенеративное охлаждение пара, конденсационное сжатие в жидкость с отводом тепла, повышение давления полученной жидкости и ее регенеративный подогрев, расширение пара с отбором работы проводят изотермически путем подвода внешнего тепла, а испарительное расширение тела и перегрев его пара проводят за счет регенеративного нагревания, при этом максимальное давление доводят до закритического значения. А также тем, что в тепловом двигателе по этому способу, содержащем паровой котел, внешний источник тепла, расширительную машину, холодильник-конденсатор, подкачивающий жидкостный насос и систему тепловых регенераторов, расширительная машина имеет цилиндро-поршневую конструкцию, выполненную с возможностью подвода тепла в цилиндр от внешнего источника, паровой котел выполнен в виде ресивера пара, а система тепловых регенераторов состоит из двух частей основного регенератора, включенного между цилиндром и котлом, и дополнительного регенератора с двумя проточными контурами, один из которых включен между основным регенератором и холодильником-конденсатором через выпускной клапан, а второй между холодильником-конденсатором и котлом через подкачивающий жидкостной насос.

Благодаря замене адиабатного расширения (в прототипе) на изотермическое, температура отработавшего пара сохраняется максимальной Т_н. За счет этого возникает реализуемая возможность осуществить регенерацию тепла в полном интервале рабочих температур Т_н-Т_х. Поскольку конденсационное сжатие тела также изотермично, значение h_т приближается к значению (1). При этом температура Т_н ограничивается только термической прочностью конструкционных материалов. Благодаря этому значение существенно возрастает.

Замена турбинного расширения на объемное, т.е. цилиндро-поршневое, улучшает динамические и регулировочные качества ТД, который в этом смысле эквивалентен поршневой машине Уатта. Указанные свойства последней до сих пор остаются непревзойденными. Таким образом, решение поставленной задачи достигается в полном объеме.

На фиг.1 дана конструктивная схема теплового двигателя; на фиг.2 - ТS-диаграмма термодинамического цикла способа (Т температура, S энтропия рабочего тела).

На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 цилиндр, 2 поршень, 3 - внешний источник тепла, 4 основной регенератор, 5 выпускной клапан, 6 - обратный клапан, 7 контур низкого давления, 8 холодильник-конденсатор, 9 - подкачивающий насос, 10 контур высокого давления, 11 котел, 12 впускной клапан, 13 регулятор давления, 14 вспомогательный контур котла.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

F кривая, огибающая область равновесия фаз "пар-жидкость" рабочего тела;

Т^* максимум F, или критическая температура рабочего тела;

Т_x температура конденсации при P P_o;

Т_c условная температура испарения в котле при P P_m;

Т_н температура нагревания (подвода тепла от источника);

a точка состояния сконденсированного тела при T T_х, P P₀;

b точка состояния жидкого тела на выходе насоса при P P_m;

c точка состояния тела в котле при T T_c, P P_m;

d точка состояния тела в конце регенеративного нагревания до температуры T T_н, P P_m;

e точка состояния тела в конце изотермического расширения при T T_н, P P_о;

f точка состояния тела в конце регенеративного охлаждения до температуры T_x при P P_о (сухой пар);

f" регенеративно смещенная точка f;

a" регенеративно смещенная точка a.

Температура газа в цилиндре 1 (фиг.1) над поршнем 2 всегда равна Т_н в силу теплообмена с внешним источником тепла 3. С этой целью верхняя часть цилиндра 1 выполнена также, как в двигателе Стирлинга. В холодильнике-конденсаторе 8 рабочее тело находится под давлением P_о при температуре Т_x в состоянии равновесия двух фаз "жидкость-пар". Режим холодильника поддерживается постоянным за счет теплообмена с внешним агентом - охлаждающим воздухом или жидкостью. Внутри котла 11 режим пара Т_c, P_m также постоянен.

Двигатель работает следующим образом.

При положении поршня 2 в крайнем нижнем положении давление P_о в цилиндре 1 над поршнем 2 минимально. При движении поршня 2 вверх открывается выпускной клапан 5 при закрытом клапане 12 и начинается процесс перекачки цилиндрового газа в холодильник-конденсатор 8 через регенератор 4, клапан 5, обратный клапан 6 и регенеративный контур 7. При проходе через регенераторы газ последовательно отдает в них свое тепло, а потому его температура последовательно снижается до Т_х и поступает в холодильник 8 в состоянии пара. В холодильнике 8 поступивший пар конденсируется в жидкость. Процесс перекачки заканчивается, когда поршень 2 достигнет крайнего верхнего положения с нулевым объемом. При обратном движении поршня 2 вниз клапан 5 закрыт, а впускной клапан 12 открывается. Через него из котла 11 в цилиндр впускается газ под давлением P_m. При проходе через регенератор 4 он последовательно нагревается от температуры Т_c до Т_н, а потому не получает от источника 3 никакого тепла. Впуск прекращается закрытием клапана 12 в момент, когда в цилиндр впущена масса m_о газа. Значение m_о будет определено ниже. Одновременно насос 9 перекачивает из холодильника конденсат массой m_о в котел 11. При проходе через регенеративный контур 10 конденсат последовательно нагревается от Т_x до Т_c, при этом он испаряется без скачка плотности (без кипения) и входит в котел в виде подогретого газа высокого давления. Благодаря этому во всех объемах двигателя сохраняется постоянным баланс масс. При дальнейшем опускании поршня при закрытых клапанах происходит изотермическое расширение газа с падением давления до P_о в крайнем нижнем положении. Далее описанный двухтактный цикл повторяется. За цикл газ совершает положительную работу, поскольку давление при подъеме поршня меньше давлений при опускании.

Рассмотрим подробнее эту работу. Работа на такте перекачки:

A_о= -P_оV

где V полный объем цилиндра.

Работа впуска:

A₁ P_mV_в

где V_в объем впуска.

Так как во время перекачки и впуска рабочее тело не получает от источника 3 никакого тепла, могущего быть превращенным в работу, то согласно первому закону термодинамики

(A_о + A₁) 0

К этому можно прийти и прямыми вычислениями по (4). Уравнение газового состояния для T T_н имеет вид

PX m_оRT_н

где X текущее значение цилиндрового объема;

P газовая постоянная Майера.

В частности, при X V должно быть P P_о. Подстановка в (6) дает



При X V_в давление максимально, поэтому из (6) и (7) следует



В силу (5) цикловая работа A_ц равна работе изотермического расширения



Вычисление интеграла (9) с учетом предыдущих выражений дает



Формулы (3)-(10) не учитывают различные потери энергии, сопровождающие работу всякого реального двигателя. Они годятся лишь для идеализированных оценок первого приближения. При расчете _т большинство потерь не учитывается. Однако, есть потери, которые следует учесть в оценке _т, так как от этого зависит выбор рабочего тела. Для этого представим рассматриваемый цикл в описании через TS термодинамические параметры. Графическое изображение такого цикла дается на фиг.2.

Здесь смещение ab отражает адиабатное (изоэнтропное) повышение давления от P_о до P_m работой подкачивающего насоса. Из-за малой сжимаемости жидкого тела это смещение очень мало и на диаграмме для наглядности преувеличено. Изобарный отрезок bc отражает разогрев тела с его испарением без скачка плотности (без кипения) при P P_m в регенерационном контуре 10 (фиг.1). Продолжение этой изобары cd отображает перегрев тела в основном регенераторе 4.

Состояние тела после впуска изображается той же точкой d, поскольку при впуске оно не получает никакого тепла. Изотермический переход de отображает цилиндровое расширение с подводом тепла от источника 3 и падением давления от P_m до P_о по изотерме.

Изобарный переход ef при P P_о изображает регенерационное охлаждение тела до состояния сухого пара в элементах 10 и 7. Последний переход fa, замыкающий цикл, отображает полную конденсацию тела в элементе 8 (фиг.1).

Учет регенерации на боковых изобарных ветвях TS цикла при оценке _т сводится к следующей графической операции. Спроектируем точку e на изотерму T T_x по адиабате S const. Получим точку f". Площадь фигуры fef" изображает теплоту, которую правая ветвь отдает в левую при регенерации. Это значит, что точка f" является адиабатным аналогом точки f. Поэтому адиабатный аналог точки a получается ее регенерационным смещением в точку a" на дистанцию по S, равную смещению ff".

Проделывая такую же графическую операцию для всех других изотерм Т const, окончательно получим регенерационно смещенную левую ветвь a"d, которая, вообще говоря, может отличаться от адиабаты, то есть от строго вертикальной линии.

Если бы переход a"d был бы строгой адиабатой, как и ef", то мы получили бы полный аналог цикла Карно, и _т выражался бы формулой (1). Для этого боковые ветви цикла должны отличаться друг от друга строго постоянным сдвигом по S на всех изотермах Т const. Как выражаются в термодинамике, они должны быть вполне эквидистантными. В грубом приближении так оно и есть, поскольку обе ветви суть изобары одного и того же рабочего тела. Однако, в более точном смысле это не так.

Левая ветвь осложнена конечным переходом ab и наличием точки перегиба в области Т^*. Последнее искажение иногда именуют эффектом близости критической точки. Если бы давление на левой ветви было бы недостаточно высоким P_m < P^* (P^* критическое давление рабочего тела), то перегиб выродился бы в изотермическую линию испарения при Т_c < Т^* и искажения формы левой ветви оказались бы очень большими. Для очень существенного уменьшения этих искажений максимальное давление цикла P_m устанавливают закритическим, то есть P_m > P_*. При этом явление испарения через кипение исчезает и жидкость переходит в газ без скачка плотности.

Указанные отклонения от эквидистантности могут быть учтены с помощью коэффициента прямоугольности К_п



где S_o площадь фигуры a"def", площадь вписывающего ее прямоугольника. Величина h_т при этом рассчитывается по формуле



Для повышения К_п следует выбирать тело с разницей (Т^* - Т_x), не превосходящей 12^o. Таким телом может быть сероуглерод, аммиак, различные фреоны и другие неорганические и органические вещества. Выбор тела однозначно определяет его параметры Т^* и P^*, а если Т_x задано, то и P_о. Вообще говоря, чем больше разница (P_m P^*), тем меньше выражен эффект близости и тем выше значение К_п. Однако, слишком высокие P_m влекут слишком большие значения промежуточной температуры Т_c, что очень нежелательно с других точек зрения. Вполне удовлетворительными будут разности (P_m P^* в 2-10 атм. Следует заметить, что вода, принятая в прототипе как рабочее тело, для данного способа будет очень плохим веществом из-за слишком высоких критических параметров. При выборе же хорошего тела можно получить К_п не ниже 0,93 и _т на уровне

_т= 0,930,70,65 (13)

Представим теперь цикловую работу А_ц любого объемного двигателя (в том числе и рассматриваемого) через формальную характеристику среднецикловое давление



Сравнивая его с (10), получим



Мощность двухтактного двигателя П получается умножением А_ц на число оборотов (циклов) в секунду п



Отношение же



называется литровой мощностью двигателя. Для четырехтактных двигателей правая часть (17) должна быть умножена на 1/2 для учета двух нерабочих (газообменных) тактов на полном цикле.

Литровая мощность решающим образом влияет на весовые характеристики двигателя и поэтому должна быть увеличена, насколько это конструктивно допустимо и экономически беспроигрышно. Это, прежде всего, возможно осуществить за счет повышения , согласно (17). Из (15) видно, что это можно сделать как за счет повышения P_m, так и за счет повышения P_о. Однако, в области больших превышений P_m/P_о влияние повышения P_о является доминирующим. К тому же следует заметить, что повышение P_m свыше 150 атм крайне нежелательно из-за большой напряженности деталей двигателя. Таким образом, главным средством повышения литровой мощности является повышение начального давления P_о (как и в двигателях Стирлинга) вплоть до уровня (P_о)_max 0,5 P_m.

Однако, для заданной внешними условиями эксплуатации величины Т_x рост P_о определяется выбором рабочего тела и не может быть установлен произвольно. Существует общая тенденция для различных реальных тел величина P_о возрастает по мере сокращения разности (Т^* Т_x). Поэтому тело можно считать хорошим, если его критическая температура Т^* невелика, но больше Т_x. Если к этому добавить упомянутые ограничения по P^* < P_m, то можно сформулировать главный критерий для выбираемого рабочего тела невысокие критические параметры.

В качестве конкретного примера примем за рабочее тело бромистый водород НВч. (Таблицы физических величин (справочник)/ Под ред. ак. Кикоина И.К. М. Атомиздат, 1976, с. 210) с параметрами Т^* 362^oК, P^*=84,4 а атм. Из таблицы справочника видно, что для температуры охлаждения в 306 К (34^oC) давление паров тела P_о составит 30 атм. Ориентировочно установим уровень максимального давления P_m 90 атм. Оценим теперь уровень среднециклового давления по (15):



Заметим, что уровень в дизельных ДВС не превосходит 11 кг/см². Заметим также, что уровень P_о оказывается здесь почти на порядок меньшим, чем в двигателях Стирлинга при соизмеримых .

Дадим теперь сравнительную (как более наглядную) оценку литровой мощности ТД. В качестве эталона сравнения выберем четырехтактный дизельный ДВС, как наиболее устойчивый, всесторонне совершенный и перспективный к вытеснению других типов из-за нарастающего дефицита углеводородного топлива. Для начала примем условие равенства числа оборотов сравниваемых двигателей. Тогда, согласно (17) с учетом разницы в тактностях получим



N_лэ и литровая мощность и среднецикловое давление эталона. Примем теперь в расчет некоторые дополнительные моменты. При сравнении двух двигателей равной мощности при равном числе оборотов скорости и ускорения подвижных частей, а, следовательно, и их напряженность будут меньшими в том двигателе, который имеет большую литровую мощность. В силу этого соображения оцениваемый ТД имеет соответствующий резерв повышения числа . Реализация этого резерва в данном ТД не ограничена условием допустимой неполноты сгорания топлива, как в эталоне. Поэтому ничего не препятствует увеличению числа оборотов в 1,3-1,5 раза по сравнению с эталонным. Согласно (17) в такое же число раз увеличивается литровая мощность. Для исключения преувеличений примем нижнюю границу превышений 1,3. Для скорректированной за это литровой мощности получим окончательную оценку



Приблизительную оценку удельного веса (в отношении к единице мощности) ТД лучше всего дать методом сравнения с тем же эталоном. В качестве формулы метода используем



где М удельный вес (или удельная масса) оцениваемого ТД;

М_э удельный вес эталона;

М_л литровый вес оцениваемого ТД;

М_лэ литровый вес эталона.

При оценке литрового веса М_л необходимо учесть влияние дополнительных масс холодильника, котла, устройства внешнего сгорания, или его заменителя, регенераторов. Следует также учесть отрицательное влияние (в смысле роста М_л) усложненную конструкцию цилиндра и поршня с элементами теплообмена и теплозащиты, а также резко увеличенную литровую нагрузку на коленчатый вал. Положительное же влияние гораздо более "мягкого" силового режима за счет большей равномерности крутящего момента и отсутствия резких пиков давления (при полудетонационном внутреннем сгорании) будет значительно меньшим, но существенным. Точный учет всех этих факторов заранее невозможен. Однако, экспертную оценку



никак нельзя признать приуменьшенной (занижающей оцениваемый уровень М). Подстановка (20) и последней оценки в (21) дает искомую оценку



Таким образом, оцениваемый ТД будет легче дизельного двигателя более, чем в 2 раза. Это примерно соответствует весу карбюраторного ДВС.

Для оценки ожидаемого уровня полного КПД и соответствующей ему топливной экономичности воспользуемся представлением

h = _тп, (23)

где обобщенный КПД _п учитывает все виды энергетических потерь в ТД, за исключением тех, которые учтены в значении _т. Как и ранее, воспользуемся методом сравнения с эталоном, однако, из-за сходства структуры энергетических потерь выберем в качестве эталона двигатель Стирлинга. Для последнего характерны значения _тэ=0,7, _э= 0,42. Соответствующий им по (23) уровень КПД обобщенных потерь составляет

_пэ= 0,6

Это определяет сравнительно очень высокий уровень внутренних потерь.

Основные причины такого обстоятельства следующие.

1. Через регенератор в двигателе проходит намного большее количество газа, чем цикловое, совершающее работу на силовом поршне. Соответственно, и тепловой поток через регенератор будет большим, чем это принципиально требуется для развития мощности на поршне. Поэтому тепловые потери в регенераторе, небольшие в отношении к тепловому потоку через него (около 2%), будучи отнесены к развиваемой мощности, могут составлять более 15%

2. Несовершенство реального цикла, выражающееся в неполной изотермичности подвода и отвода тепла дает дополнительные потери в 4-6%

3. Наличие дополнительного поршня-вытеснителя увеличивает потери на механическое трение примерно на 3-4%

В данном ТД через регенератор проходит лишь цикловое количество вещества. Это снижает регенерационные потери не менее, чем на 5% Теплоотвод в холодильнике-конденсаторе строго изотермичен, что дает не менее 2% экономии по потерям. Данный ТД не имеет дополнительного поршня и свободен от дополнительных потерь трения. Сравнение двигателей по остальным видам потерь не имеет смысла, так как они практически одинаковы. Таким образом, экспертно можно положить, что КПД по внутренним потерям _п для данного ТД составит не менее 0,7. Это примерно соответствует уровню потерь в ДВС и паротурбинных двигателях. Подставляя полученную оценку и оценку (13) в (23) окончательно получаем

0,650,7=0,45 (24)

Преимущество в 3% в сравнении с эталоном по эквивалентно преимуществу по экономии топлива в 7% Относительно прототипа и дизельных ДВС экономия топлива повысится до 19% а относительно карбюраторных ДВС составит не менее 28%

Запуск холодного двигателя (фиг.1) начинается с разогрева внешнего источника тепла 3. Это может быть поджиг пламени внешнего сгорания, или приведение в состояние теплообмена с другим источником, например, аккумулятором тепла. Одновременно, часть тепла отводится через регулятор 13 во вспомогательный контур 14 котла 11. В результате рабочее тело в котле 11 разогревается и в нем создается необходимое давление P_m. После этого двигатель может быть легко запущен поворотом вала. В дальнейшем тепловая линия с элементами 13 и 14 служит для компенсации потерь тепла в двигателе и для стабилизации давления в котле 11.

Переход на режим частичной мощности осуществляется более ранним закрытием впускного клапана 12. В результате цилиндр 1 впускается меньшая, чем m_о, масса газа. На столько же снижается цикловая работа, крутящий момент и мощность двигателя. При значительном уменьшении впускаемой массы газа его давление в конце расширения падает ниже, чем уровень P_о. При отсутствии обратного клапана 6 в выпускной цепи это привело бы к обратному прорыву пара из холодильника 8 в цилиндр 1. Такой прорыв привел бы к резкому падению h и расстройству термического режима регенерационных цепей. Включение в выпускную цепь обратного клапана 6 полностью устраняет эти вредные эффекты. Описанный способ регулирования является глубоким и практически мгновенным.

Крутящий момент двигателя зависит от положения единственного органа-регулятора (не обозначен) момента закрытия клапана 12 вплоть до околонулевых оборотов. Только на очень больших оборотах крутящий момент может ощутимо снизиться за счет роста газодинамических потерь. Это определяет динамичность двигателя как очень хорошую. К этому следует добавить возможность "супер-силового" режима двигателя. Для его осуществления клапан 12 закрывают позже, чем допустимо для номинального цикла. Это приводит к увеличению цикловой массы газа и повышению крутящего момента сверх максимального. Таким путем крутящий момент можно мгновенно повысить в несколько раз. Конечно, такой режим нельзя использовать длительно из-за резкого падения h и расстройства системы регенерации. Однако, допустимость кратковременного использования (в течение нескольких секунд) сильно расширяет динамическое качество двигателя. Он будет почти идеальным для автомобиля.

Таким образом, ТД по предлагаемому способу обладает уникальным комплексом свойств, несовместимых в других двигателях, а именно: самая высокая топливная экономичность; удельный вес на уровне карбюраторных ДВС; превосходные динамические и регулировочные качества.

Это определяет целесообразность замены в перспективе других двигателей на данный почти во всех областях техники, за исключением высокоскоростных летательных аппаратов, где господство легких газотурбинных и реактивных двигательно-движительных комплексов трудно преодолеть, а в области космоплавания это просто невозможно сделать.