М. И. Куколев, А. А. Котлов: Предпосылки использования смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость» в качестве рабочего тела в поршневом двигателе с внешним подводом теплоты

Аннотация                                    

В статье рассматриваются предпосылки использования смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость» в качестве рабочего тела в поршневом двигателе с внешним подводом теплоты (ДВПТ) и возможные варианты схем конструктивного исполнения этих поршневых ДВПТ.

В качестве примера рассматриваются схемы конструктивного исполнения ДВПТ с клапанным газораспределительным механизмом (ГРМ).

Рассматриваются, в том числе, и схемы поршневых ДВПТ с клапанным ГРМ и влажнопаровым спутником (ВПС).

Поршневой ДВПТ рассматривается как закрытая термодинамическая система.

Интерес перехода от рабочего тела находящегося в агрегатном состоянии «газ» в течение всего времени термодинамического цикла к рабочему телу с изменяющимся агрегатным состоянием «газ – жидкость», в зависимости от того, в какой части термодинамического цикла рабочее тело находится, обусловлен тем, что позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) термодинамического цикла поршневой энергетической машины, в частности, поршневого ДВПТ.

Предварительные сведения

Перед началом рассмотрения темы «Предпосылки использования смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость» в качестве рабочего тела в поршневом двигателе с внешним подводом теплоты», следует обозначить исходную позицию – а почему, собственно, появилась сама эта тема.

Интерес перехода от рабочего тела находящегося в агрегатном состоянии «газ» в течение всего времени термодинамического цикла к рабочему телу с изменяющимся агрегатным состоянием «газ – жидкость», в зависимости от того, в какой части термодинамического цикла рабочее тело находится, обусловлен тем, что позволяет повысить КПД термодинамического цикла поршневой энергетической машины, в частности, поршневого ДВПТ.

Каким образом?

За счёт отказа от охладителя, как такового.

Зачем нужен охладитель в поршневом ДВПТ?

Чтобы после рабочего хода рабочего тела охладить рабочее тело с целью уменьшения количества работы, затрачиваемой на последующее сжатие рабочего тела – чем ниже температура рабочего тела перед началом термодинамического процесса сжатия рабочего тела, тем меньшее количество работы потребуется затратить на сжатие рабочего тела до давления соответствующего началу подвода в термодинамический цикл положительной теплоты (начало нагрева рабочего тела от источника положительной теплоты).

Термодинамическая система

Тело (совокупность тел), способное (способных) обмениваться с другими телами (между собой) энергией и (или) веществом [1].

Закрытая термодинамическая система.

Термодинамическая система, которая не может обмениваться веществом с другими системами [1].

Термодинамический параметр

Одна из совокупности термодинамических величин, характеризующих состояние термодинамической системы [1].

Термодинамический процесс

Изменение состояния термодинамической системы, характеризующееся изменением ее параметров [1].

Обратимый процесс

Термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (окружающая среда) могут возвратиться в начальное состояние без того, чтобы в системе и окружающей среде возникали какие-либо остаточные изменения [1].

Необратимый процесс

Термодинамический процесс, после которого система и взаимодействующие с ней системы (окружающая среда) не могут возвратиться в начальное состояние без возникновения остаточных изменений в системе или окружающей среде [1].

Термодинамический цикл

Непрерывная последовательность термодинамических процессов, в результате которых рабочее тело возвращается в исходное состояние [1].

Теплота

Энергия, передаваемая более нагретым телом менее нагретому, не связанная с переносом вещества и совершением работы [1].

Работа.

Энергия, передаваемая одним телом другому, не связанная с переносом теплоты и (или) вещества [1].

Внутренняя энергия

Функция состояния закрытой термодинамической системы, определяемая тем, что ее приращение в любом процессе, происходящем в этой системе, равно сумме теплоты, сообщенной системе, и работы, совершенной над ней [1].

Источник теплоты

Термодинамическая система, способная отдавать или воспринимать теплоту и характеризующаяся определенной неизменной температурой [1].

Теплота подводимая к рабочему телу во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ от источника теплоты может быть как положительной так и отрицательной, а именно, теплота может быть подведена как от источника теплоты способного отдавать теплоту (подвод положительной теплоты) так и от источника теплоты способного воспринимать теплоту (подвод отрицательной теплоты).

Под подводом положительной теплоты к рабочему телу во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ понимается повышение температуры (нагрев) рабочего тела от источника теплоты отдающего теплоту.

Под подводом отрицательной теплоты к рабочему телу во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ понимается понижение температуры (охлаждение) рабочего тела от источника теплоты воспринимающего теплоту.

Увеличение КПД термодинамического цикла поршневого ДВПТ за счёт уменьшения количества работы затрачиваемой на сжатие рабочего тела – это и есть главный побудительный мотив для рассмотрения различных способов уменьшения количества работы затрачиваемой на сжатие рабочего тела.

Тогда появляется вопрос – а есть ли ещё какие-либо способы для уменьшения количества работы затрачиваемой на сжатие рабочего тела, кроме использования охладителя?

Да, такой способ есть – уменьшение самого количества рабочего тела в агрегатном состоянии «газ».

Но в этом случае термодинамический цикл изменится в части материального баланса.

Чтобы материальный баланс термодинамического цикла не изменился при уменьшении количества рабочего тела в агрегатном состоянии «газ», необходимо добавить к рабочему телу материальную составляющую в агрегатном состоянии «жидкость», которая восполнит материальный баланс термодинамического цикла, а поскольку повышение давления жидкости требует меньших затрат работы, чем затраты работы на повышение давления газа, то и общие затраты работы на сжатие рабочего тела (сжатие «газа» и сжатие «жидкости») будут меньше.

Итак, какой предварительный вывод напрашивается из изложенного выше?

Для использования в качестве рабочего тела в поршневом ДВПТ надобно подобрать вещество которое в пределах значений термодинамических параметров термодинамического цикла (давление, температура) может изменять своё агрегатное состояние за время термодинамического цикла (например, вода – водяной пар).

Каким образом будут выглядеть термодинамические процессы в поршневом ДВПТ, если в качестве рабочего тела будет использоваться, например, водяной пар, который за время термодинамического цикла будет частично или полностью изменять своё агрегатное состояние, а именно, превращаться в воду?

После нагрева воды (рабочее тело в жидком состоянии) и испарения её до водяного пара (рабочее тело в газообразном состоянии), совершается термодинамический процесс рабочего хода рабочего тела в результате которого происходит частичная конденсация водяного пара в капли воды (образуется дисперсия) вследствие понижения давления и понижения температуры рабочего тела (водяного пара).

Далее:

– либо рабочее тело (водяной пар и капли воды) направляется в охладитель, в котором оставшийся водяной пар полностью превращается в воду и затем это рабочее тело в жидком состоянии (вода) подаётся в нагреватель-испаритель, где нагревается, испаряется и совершает следующий рабочий ход рабочего тела;

– либо охладителя нет и после совершения термодинамического процесса рабочего хода рабочего тела пар-жидкостная смесь (дисперсия) сразу переводится в термодинамический процесс сжатия рабочего тела.

Появляется вопрос, если в процессе сжатия рабочего тела (водяной пар и капли воды) температура рабочего тела повышается, то произойдёт ли процесс полного испарения жидкой воды (испарение капель воды) и никакого уменьшения количества работы, затрачиваемой на сжатие рабочего тела, получить не удастся?

Не всё так просто

При термодинамическом процессе рабочего хода рабочего тела происходит понижение давления и понижение температуры рабочего тела, соответственно, молекулы водяного пара непосредственно, в индивидуальном порядке (скажем так), находятся в среде с понижающейся температурой, теряют энергию, сталкиваются между собой с образованием сначала мелких капель, которые постепенно увеличиваются в объёме.

Образуется дисперсия (дисперсная смесь), а именно, газовая фаза (водяной пар) и жидкая фаза (водяные капли).

А вот это – водяные капли – уже принципиальное отличие от просто молекул.

Водяные капли во время сжатия дисперсной смеси тоже, конечно, нагреваются и испаряются, но процесс нагрева и испарения капель происходит медленнее, чем процесс нагрева молекул пребывающих в газообразном состоянии.

Более медленный нагрев капель жидкости (капель воды) по сравнению с нагревом молекул рабочего тела пребывающих в газообразном состоянии (молекул водяного пара), обусловлен тем, что капля окружена оболочкой поверхностного натяжения, которая сама по себе является термическим сопротивлением уменьшающим интенсивность теплообмена капли с газообразной средой в которой она находится, кроме того, молекулы жидкости (воды) находящиеся в центральной части капли напрямую с газообразной средой не соприкасаются, что также замедляет процесс теплообмена.

В итоге

Те капли жидкости, которые образовались во время термодинамического процесса рабочего хода рабочего тела, во время термодинамического процесса сжатия рабочего тела полностью не испарятся, просто не хватит времени, поскольку процессы теплообмена в этом случае идут медленнее.

В качестве рабочего тела предпочтительнее использовать смесь веществ, в которой хотя бы одно вещество не будет изменять своего агрегатного состояния «газ» за время термодинамического цикла и будет являться несущей основой для других веществ входящих в состав смеси веществ образующих рабочее тело, которые за время термодинамического цикла изменяют (частично или полностью) своё агрегатное состояние по последовательности

«жидкость – газ – жидкость» (например, смесь газообразного азота и водяных капель, азот, в этом случае, будет несущей основой).

Такой подход – использование для образования рабочего тела смеси веществ, в которой хотя бы одно вещество является несущей основой для других веществ входящих в состав смеси и изменяющих своё агрегатное состояние за время термодинамического цикла – позволит более рационально подходить к выбору параметров термодинамического цикла (давление, температура) и режимов работы поршневого ДВПТ в целом.

Одним из главных условий использования смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость» в качестве рабочего тела в поршневой машине (поршневой ДВПТ, поршневая холодильная машина, поршневая  теплонасосно-холодильная машина) является требование пространственного расположения цилиндра (цилиндров) поршневой машины таким образом, чтобы поршень (поршни) был выше крышки цилиндра (крышек цилиндров).

Допустимо наклонное расположение цилиндров, но поршни при этом всё равно должны быть выше крышек цилиндров.

В качестве предельного варианта допустимо и горизонтальное расположение цилиндров.

Расположение цилиндров при котором поршни ниже крышек цилиндров нежелательно.

Рассмотрим несколько схем конструктивного исполнения поршневых ДВПТ с клапанным ГРМ при использовании в этих поршневых ДВПТ рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость».

Примечание

Предполагается, что в качестве рабочего тела используется смесь веществ, в которой хотя бы одно вещество за время термодинамического цикла не будет изменять своего агрегатного состояния «газ» и будет являться несущей основой для других веществ входящих в состав смеси и изменяющих своё агрегатное состояние по последовательности «жидкость – газ – жидкость» за время термодинамического цикла.

Рассматриваемые схемы объединены общим замыслом и предназначены для поршневых ДВПТ с различным числом оборотов силового вала (низкооборотные, среднеоборотные, высокооборотные).

Передаточное устройство (механизм) для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение силового вала может быть любым: кривошипно-шатунный механизм (КШМ), безшатунный механизм, качающийся механизм (рычаг, коромысло).

Графическое отображение термодинамических процессов рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ наносится на плоскость в координатах [P_м᛫F_п]_y – [S_п]_x (силовая диаграмма).

Рис. 1. Система координат для силовой диаграммы поршневого ДВПТ

S_П– ход поршня;

[S_П]_x, м – ход поршня, откладываемый по оси Х, в метрах;

P_М– давление рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системе поршневого ДВПТ (манометрическое, вакууметрическое), Па;

F_П– площадь днища поршня (площадь проекции днища поршня на плоскость перпендикулярную оси цилиндра с учётом зазора между днищем поршня и стенкой цилиндра закрытого поршневым кольцом), м²;

[P_М • F_П]_y, Н – усилие рабочего тела на днище поршня откладываемое по оси Y, в Ньютонах;

[P_М • F_П] ⨯ [S_П], Дж – работа термодинамического процесса, в Джоулях;

ПМО – положение меньшего объёма – положение поршня в цилиндре при котором геометрический объём рабочего тела имеет наименьшее значение;

ПМО_X – точка пересечения оси X линией ПМО, точка ПМО_X совпадает с точкой начала координат силовой диаграммы (точка «0»);

ПБО – положение большего объёма – положение поршня в цилиндре при котором геометрический объём рабочего тела имеет наибольшее значение;

ПБО_X –  точка пересечения оси X линией ПБО.

Поршневой ДВПТ рассматривается как закрытая термодинамическая система.

Поршень соединён со штоком поршня.

Шток поршня может быть задействован как на привод внешней механической нагрузки (механическая нагрузка за пределами внутреннего пространства закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ) так и для восприятия внешнего механического

усилия (ВМУ) от источника ВМУ (механическое усилие из-за пределов внутреннего пространства закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ).

Под внутренним пространством закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ понимается сумма геометрических объёмов: геометрический объём внутреннего пространства цилиндра высвобождаемый при движении поршня от ПМО к ПБО плюс внутренний геометрический объём присоединяемых к цилиндру геометрических объёмов.

Под присоединяемыми к цилиндру геометрическими объёмами понимается геометрический объём внутреннего пространства закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ при нахождении поршня в ПМО.

Пространство за пределами внутреннего пространства закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ именуется внешней средой.

Давление внешней среды обозначим символом P_ВС .

Обозначения термодинамических процессов

КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] – камера подвода положительной (+Q₁), (+q_П), (+q₁) теплоты в термодинамический цикл поршневого ДВПТ;

ПМО_X  – поршень находится в точке ПМО_X перед подводом положительной (+Q₁), (+q_П) теплоты в термодинамический цикл поршневого ДВПТ;

(+Q₁) – подвод положительной теплоты в термодинамический цикл поршневого ДВПТ при нахождении поршня в точке ПМО_X – нагрев рабочего тела находящегося в дисперсном состоянии (совокупность газовой фазы и жидкой фазы в виде капель жидкости) до температуры парообразования жидкой фазы (но исключая сам процесс парообразования) и нагрев рабочего тела находящегося в газообразном состоянии после окончания процесса парообразования жидкой фазы выше температуры парообразования (перегрев пара) после окончания процесса парообразования жидкой фазы (после полного испарения капель жидкости), повышение давления рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ за счёт нагрева при подводе положительной (+Q₁) теплоты

в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)];

(+q_П) – подвод положительной теплоты в термодинамический цикл поршневого ДВПТ при нахождении поршня в точке ПМО_X – испарение (парообразование) жидкой фазы рабочего тела (испарение капель жидкости) находящейся при температуре парообразования до полного испарения жидкой фазы (до полного испарения капель жидкости), повышение давления рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ за счёт испарения (парообразования) жидкой фазы рабочего тела при подводе положительной (+q_П) теплоты в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)];

ПМО_X – ПБО_X – рабочий ход рабочего тела (движение поршня от точки ПМО_X  до точки ПБО_X);

(+q₁) – подвод положительной теплоты в термодинамический цикл поршневого ДВПТ при рабочем ходе рабочего тела – нагрев рабочего тела при рабочем ходе рабочего тела, замедление понижения давления и понижения температуры рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ за счёт подвода положительной (+q₁) теплоты в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)];

(q_{К РХ}) – суммарное количество теплоты высвобождаемое в результате высвобождения скрытой теплоты парообразования при конденсации части газообразной фазы рабочего тела и высвобождения теплоты от остывания образующихся капель конденсата (капель жидкости) в результате теплообмена между каплями конденсата (каплями жидкости) и газообразной фазой рабочего тела температура которой понижается при рабочем ходе рабочего тела и переток суммарного количества высвобождающейся теплоты в остающуюся часть газообразной фазы рабочего тела при рабочем ходе рабочего тела, замедление понижения давления и понижения температуры рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ при рабочем ходе рабочего тела за счёт высвобождения суммарного количества высвобождающейся теплоты, а именно, высвобождения скрытой теплоты парообразования при конденсации части газообразной фазы рабочего тела (образование капель жидкости) и высвобождения теплоты от остывания образующихся капель конденсата (остывания капель жидкости);

(L₀₁) – работа по перемещению рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ в объём цилиндра высвобождаемый при рабочем ходе рабочего тела, работа  (L₀₁) совершается за счёт внутренней энергии рабочего тела;

(+L_{ВС P 1}) – работа совершаемая рабочим телом посредством поршня против давления P_ВС внешней среды при рабочем ходе рабочего тела, работа  (+L_{ВС P 1}) совершается за счёт внутренней энергии рабочего тела;

(+L_{ВС М 1}) – работа совершаемая рабочим телом посредством поршня по выталкиванию в окружающую цилиндр внешнюю среду той части массы внешней среды, которая находится в цилиндре с внешней стороны поршня и выталкивается в окружающую цилиндр внешнюю среду посредством внешней стороны поршня при рабочем ходе рабочего тела, работа  (+L_{ВС М 1}) совершается за счёт внутренней энергии рабочего тела;

(+L₁) – работа совершаемая рабочим телом посредством штока поршня задействованного на привод внешней механической нагрузки при рабочем ходе рабочего тела, работа (+L₁) совершается за счёт внутренней энергии рабочего тела;

ПБО_X  – поршень находится в точке ПБО_X перед сжатием рабочего тела (перед движением поршня от точки ПБО_X до точки ПМО_X), отвода теплоты из термодинамического цикла поршневого ДВПТ в охладитель в точке ПБО_X  нет;

ПБО_X – ПМО_X – сжатие рабочего тела (движение поршня от точки ПБО_X до точки ПМО_X);

(₋L_{ВМУ 2}) – работа по сжатию рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ, а именно, повышение механическим способом давления рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ и перемещение рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ при сжатии рабочего тела совершаемое посредством воздействия на шток поршня источника ВМУ, в т. ч. и за счёт работы (аккумулированной механической энергии) совершённой ранее рабочим телом посредством штока поршня, задействованного на привод внешней механической нагрузки при рабочем ходе рабочего тела;

(₋L_{ВС Р 2}) – работа по сжатию рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ, а именно, повышение механическим способом давления рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ и перемещение рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ при сжатии рабочего тела совершаемое давлением P_ВС внешней среды посредством воздействия на поршень давления P_ВС внешней среды при сжатии рабочего тела, работа (₋L_{ВС Р 2}) совершается в дополнение к работе (₋L_{ВМУ 2});

Сумма работы источника ВМУ обозначенная символом (₋L_{ВМУ 2}) и работы давления P_ВС внешней среды обозначенная символом (₋L_{ВС Р 2}), представляет собой сумму работ:

(₋L_{СЖ 2}) и (L₀₂);

(₋L_{ВМУ 2}) + (₋L_{ВС Р 2}) = (₋L_{СЖ 2}) + (L₀₂);

(₋L_{СЖ 2}) – работа по сжатию рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ совершаемая посредством воздействия на шток поршня источника ВМУ при сжатии рабочего тела и воздействия на поршень давления P_ВС внешней среды при сжатии рабочего тела, работа (₋L_{СЖ 2}) представляет собой составную часть суммы работ: (₋L_{ВМУ 2}) + (₋L_{ВС Р 2});

(L₀₂) – работа по перемещению рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы поршневого ДВПТ совершаемая посредством воздействия на шток поршня источника ВМУ при сжатии рабочего тела и воздействия на поршень

давления P_ВС внешней среды при сжатии рабочего тела, работа (L₀₂) представляет собой составную часть суммы работ: (₋L_{ВМУ 2}) + (₋L_{ВС Р 2});

(q_{П СЖ}) – суммарное количество теплоты затрачиваемое на нагрев и испарение части жидкой фазы рабочего тела (капель жидкости) в результате теплообмена между жидкой фазой рабочего тела (каплями жидкости) и газообразной фазой рабочего тела температура которой повышается при сжатии рабочего тела;

|(+q_П)| = |(q_{К РХ})| – |(q_{П СЖ})|;

Примечание

Работа по вталкиванию части внешней среды в цилиндр до внешней стороны поршня (из внешней среды окружающей цилиндр) при движении поршня от ПБО к ПМО производится за счёт энергии внешней среды окружающей цилиндр.

Схема конструктивного исполнения низкооборотного поршневого ДВПТ

Рис. 2. Схема конструктивного исполнения низкооборотного поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»

К1, К2, К3, К4 – клапаны ГРМ с приводом.

Рис. 3. Силовая диаграмма термодинамического цикла низкооборотного поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»

Порядок работы:

–  исходное состояние, поршень находится в ПБО (линия ПБО на рис. 2), что соответствует нахождению поршня в точке ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 3), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 1 (рис. 3), клапаны К1 и К3 открыты, клапаны К4 и К2 закрыты;

– начало термодинамического цикла, движение поршня от ПБО к ПМО (рис. 2), что соответствует движению поршня от точки ПБО_X к точке ПМО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 3), графическое отображение изменения термодинамических параметров рабочего тела соответствует линии между точкой 1 и точкой 2 (рис. 3) – сжатие рабочего тела (сжатие дисперсии: газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), рабочее тело (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости) через открытый клапан К1 из полости цилиндра перетекает в часть переходной ёмкости расположенной до клапана К3 и через открытый клапан К3 перетекает в среднюю часть переходной ёмкости до закрытого клапана К4;

– при достижении поршнем ПМО (линия ПМО на рис. 2), что соответствует достижению поршнем точки ПМО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 3), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 2 (рис. 3), закрывается клапан К3, закрывается клапан К1, открывается клапан К4, рабочее тело (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости) из средней части переходной ёмкости через открытый клапан К4 перетекает в часть переходной ёмкости расположенной после клапана К4 и далее в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)], где к рабочему телу подводится положительная (+Q₁), (+q_П) теплота, графическое отображение изменения термодинамических параметров рабочего тела при подводе положительной (+Q₁), (+q_П) теплоты соответствует линии между точкой 2 и точкой 3 (рис. 3);

– открывается клапан К2, рабочее тело (газовая фаза) в виде сухого насыщенного или перегретого пара (допустимо рабочее тело в виде влажного пара) из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] перетекает в полость цилиндра;

– движение поршня от ПМО к ПБО (рис. 2), что соответствует движению поршня от точки ПМО_X к точке ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 3), графическое отображение изменения термодинамических параметров рабочего тела соответствуют линии между

точкой 3 и точкой 4 (рис. 3) – рабочий ход рабочего тела, рабочее тело (газовая фаза) в виде сухого насыщенного или перегретого пара (допустимо рабочее тело в виде влажного пара) через открытый клапан К2 из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] перетекает в полость цилиндра и совершает рабочий ход рабочего тела, при этом в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] происходит подвод положительной (+q₁) теплоты к рабочему телу, в процессе рабочего хода рабочего тела происходит понижение давления и понижение температуры рабочего тела, после понижения давления и понижения температуры рабочего тела до значений меньших, чем при сухом насыщенном паре, начинается образование дисперсии (влажного пара), молекулы водяного пара теряют энергию, сталкиваются между собой с образованием сначала мелких капель жидкости, которые постепенно увеличиваются в объёме, образуется дисперсия (дисперсная смесь),

а именно, газовая фаза (например, водяной пар) и жидкая фаза (например, водяные капли);

– через некоторое время после открытия клапана К2 открывается клапан К3 и через КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] в полость цилиндра перетекает и рабочее тело (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости) из части переходной ёмкости расположенной до клапана К3, при этом в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] происходит подвод положительной  (+q₁) теплоты к рабочему телу;

– при достижении поршнем ПБО (линия ПБО на рис. 2), что соответствует достижению поршнем точки ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 3), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 4, точка 4 при этом совпадает с точкой 1 (рис. 3), закрывается клапан К4, закрывается клапан К2, открывается клапан К1, рабочее тело (дисперсная смесь: газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости) из полости цилиндра перетекает в часть переходной ёмкости расположенной до клапана К3 и далее через открытый клапан К3 перетекает в среднюю часть переходной ёмкости до закрытого клапана К4;

–  исходное состояние, поршень находится в ПБО (линия ПБО на рис. 2), что соответствует нахождению поршня в точке ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 3), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 1 (рис. 3), клапаны К1 и К3 открыты, клапаны К4 и К2 закрыты;

– термодинамический цикл замкнут.

Далее следующий цикл.

Схема конструктивного исполнения среднеоборотного поршневого ДВПТ

Рис. 4. Схема конструктивного исполнения среднеоборотного поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»

К1, К2, К3 – клапаны ГРМ с приводом.

Рис. 5. Силовая диаграмма термодинамического цикла среднеоборотного поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»

Порядок работы:

–  исходное состояние, поршень находится в ПБО (линия ПБО на рис. 4), что соответствует нахождению поршня в точке ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 5), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 1 (рис. 5), клапан К1 открыт, клапаны К2 и К3 закрыты;

– начало термодинамического цикла, движение поршня от ПБО к ПМО (рис. 4), что соответствует движению поршня от точки ПБО_X к точке ПМО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 5), графическое отображение изменения термодинамических параметров рабочего тела соответствует линии между точкой 1 и точкой 2 (рис. 5) – сжатие рабочего тела (сжатие дисперсии: газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), рабочее тело (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости) через открытый клапан К1 из полости цилиндра перетекает в часть переходной ёмкости расположенной до клапана К3;

– при достижении поршнем ПМО (линия ПМО на рис. 4), что соответствует достижению поршнем точки ПМО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 5), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 2 (рис. 5), закрывается клапан К1, открывается клапан К3, рабочее тело (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости) из части переходной ёмкости расположенной до клапана К3 перетекает в часть переходной ёмкости расположенной после клапана К3 и далее в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)], где к рабочему телу подводится положительная (+Q₁), (+q_П) теплота, графическое отображение изменения термодинамических параметров рабочего тела при подводе положительной (+Q₁), (+q_П) теплоты соответствует линии между точкой 2 и точкой 3 (рис. 5);

– открывается клапан К2, рабочее тело (газовая фаза) в виде сухого насыщенного или перегретого пара (допустимо рабочее тело в виде влажного пара) перетекает из

КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] в полость цилиндра;

– движение поршня от ПМО к ПБО (рис. 4), что соответствует движению поршня от точки ПМО_X к точке ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 5), графическое отображение изменения термодинамических параметров рабочего тела соответствуют линии между точкой 3 и точкой 4 (рис. 5) – рабочий ход рабочего тела, рабочее тело (газовая фаза) в виде сухого насыщенного или перегретого пара (допустимо рабочее тело в виде влажного пара) через открытый клапан К2 из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] перетекает в полость цилиндра и совершает рабочий ход рабочего тела, при этом в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] происходит подвод положительной (+q₁) теплоты к рабочему телу, в процессе рабочего хода рабочего тела происходит понижение давления и понижение температуры рабочего тела, после понижения давления и понижения температуры рабочего тела до значений меньших, чем при сухом насыщенном паре, начинается образование дисперсии (влажного пара), молекулы водяного пара теряют энергию, сталкиваются между собой с образованием сначала мелких капель жидкости, которые постепенно увеличиваются в объёме, образуется дисперсия (дисперсная смесь), а именно, газовая фаза (например, водяной пар) и жидкая фаза (например, водяные капли);

– при достижении поршнем ПБО (линия ПБО на рис. 4), что соответствует достижению поршнем точки ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 5), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 4, точка 4 при этом совпадает с точкой 1 (рис. 5), закрывается клапан К3, закрывается клапан К2, открывается клапан К1, рабочее тело (дисперсная смесь: газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости) из полости цилиндра перетекает в часть переходной ёмкости расположенной до клапана К3;

–  исходное состояние, поршень находится в ПБО (линия ПБО на рис. 4), что соответствует нахождению поршня в точке ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 5), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 1 (рис. 5), клапан К1 открыт, клапаны К2 и К3 закрыты;

– термодинамический цикл замкнут.

Далее следующий цикл.

Схема конструктивного исполнения высокооборотного поршневого ДВПТ

Рис. 6. Схема конструктивного исполнения высокооборотного поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»

К1, К2 – клапаны ГРМ с приводом.

Рис. 7. Силовая диаграмма термодинамического цикла высокооборотного поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»

Порядок работы:

–  исходное состояние, поршень находится в ПБО (линия ПБО на рис. 6), что соответствует нахождению поршня в точке ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 7), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 1 (рис. 7), клапан К1 открыт, клапан К2 закрыт;

– начало термодинамического цикла, движение поршня от ПБО к ПМО (рис. 6), что соответствует движению поршня от точки ПБО_X к точке ПМО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 7), графическое отображение изменения термодинамических параметров рабочего тела соответствует линии между точкой 1 и точкой 2 (рис. 7) – сжатие рабочего тела (сжатие дисперсии: газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), рабочее тело (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости) через открытый клапан К1 из полости цилиндра перетекает в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)];

– при достижении поршнем ПМО (линия ПМО на рис. 6), что соответствует достижению поршнем точки ПМО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 7), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 2 (рис. 7), закрывается клапан К1, в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] к рабочему телу (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости) подводится положительная (+Q₁), (+q_П) теплота, графическое отображение изменения термодинамических параметров рабочего тела при подводе положительной (+Q₁), (+q_П) теплоты соответствует линии между точкой 2 и точкой 3 (рис. 7);

– открывается клапан К2, рабочее тело (газовая фаза) в виде сухого насыщенного или перегретого пара (допустимо рабочее тело в виде влажного пара) из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] перетекает в полость цилиндра;

– движение поршня от ПМО к ПБО (рис. 6), что соответствует движению поршня от точки ПМО_X к точке ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 7), графическое отображение изменения термодинамических параметров рабочего тела соответствует линии между точкой 3 и точкой 4 (рис. 7) – рабочий ход рабочего тела, рабочее тело (газовая фаза) в виде сухого насыщенного или перегретого пара (допустимо рабочее тело в виде влажного пара) через открытый клапан К2 из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] перетекает в полость цилиндра и совершает рабочий ход рабочего тела, при этом в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] происходит подвод положительной (+q₁) теплоты к рабочему телу, в процессе рабочего хода рабочего тела происходит понижение давления и понижение температуры рабочего тела, после понижения давления и понижения температуры рабочего тела до значений меньших, чем при сухом насыщенном паре, начинается образование дисперсии (влажного пара), молекулы водяного пара теряют энергию, сталкиваются между собой с образованием сначала мелких капель жидкости, которые постепенно увеличиваются в объёме, образуется дисперсия (дисперсная смесь), а именно,  газовая фаза (например, водяной пар) и жидкая фаза (например, водяные капли);

– при достижении поршнем ПБО (линия ПБО на рис. 6), что соответствует достижению поршнем точки ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 7), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 4, точка 4 при этом совпадает с точкой 1 (рис. 7), закрывается клапан К2, открывается клапан К1, рабочее тело (дисперсная смесь: газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости) из полости цилиндра через открытый клапан К1 перетекает в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)];

–  исходное состояние, поршень находится в ПБО (линия ПБО на рис. 6), что соответствует нахождению поршня в точке ПБО_X на оси X силовой диаграммы (рис. 7), графическое отображение термодинамических параметров рабочего тела соответствует точке 1 (рис. 7), клапан К1 открыт, клапан К2 закрыт;

– термодинамический цикл замкнут.

Далее следующий цикл.

В упрощённом варианте для низкооборотных и среднеоборотных поршневых ДВПТ с клапанным ГРМ при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость» допустимо применение самодействующих клапанов.

Схема конструктивного исполнения низкооборотного и среднеоборотного поршневых ДВПТ с самодействующими клапанами

Рис. 8. Схема конструктивного исполнения низкооборотного и среднеоборотного поршневых ДВПТ с клапанным ГРМ с самодействующими клапанами при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»

К1, К2 – самодействующие клапаны ГРМ.

Схемы конструктивного исполнения поршневых ДВПТ с ВПС

Интерес представляют и конструктивные схемы поршневых ДВПТ с клапанным ГРМ и ВПС при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость», а именно, сходные по конструктивной схеме с паровой компаунд-машиной [2].

Под ВПС понимается устройство устанавливаемое в качестве дополнительного узла в состав: либо двигателя полученного на основе преобразованного парового двигателя (ПД), либо двигателя полученного на основе преобразованного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), для обеспечения работы этих двигателей по термодинамическому циклу с двухфазным рабочим телом «газ – жидкость».

Количество цилиндров и высокого (ПД, ДВС) и низкого (ВПС) давления может быть любым (один и более).

Цилиндры и высокого и низкого давления могут быть как одностороннего действия, так и двухстороннего действия.

Схема конструктивного исполнения поршневого ДВПТ с ВПС на основе преобразованного ПД

Рис. 9. Схема конструктивного исполнения поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ и ВПС на основе преобразованного ПД при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»

К1, К2, К3, К4, К5, К7 – клапаны ГРМ с приводом.

К6, К8 – самодействующие клапаны ГРМ.

На рис. 9 представлена схема поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ и ВПС на основе преобразованного ПД при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость», в составе одного цилиндра высокого давления двухстороннего действия (ПД) и двух цилиндров низкого давления одностороннего действия (ВПС).

Цилиндр 1 – цилиндр высокого давления (на рис. 9 цилиндр высокого давления двухстороннего действия);

Цилиндр 2 и цилиндр 3 – цилиндры низкого давления (на рис. 9 цилиндр 2 и цилиндр 3 одностороннего действия).

Цилиндр 2 и цилиндр 3 одинаковы по конструктивному исполнению и равнозначны по функциональному назначению, поршни в цилиндрах задействованы на один коленчатый вал с движением в противоположных направлениях, а именно, «рабочий ход рабочего тела в одном цилиндре – сжатие и выталкивание в полость КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] рабочего тела от предыдущего такта рабочего хода рабочего тела в другом цилиндре».

Под «сжатием и выталкиванием в полость КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] рабочего тела от предыдущего такта рабочего хода рабочего тела» понимается сжатие и выталкивание дисперсии (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), образовавшейся в результате рабочего хода рабочего тела.

Порядок работы (для начального положения поршней показанного на рис. 9):

– при нахождении поршня цилиндра высокого давления (цилиндр 1) в окрестности клапана К1, рабочее тело (предпочтительно состояние «перегретый пар») из камеры подвода положительной теплоты КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] после открытия клапана К1 подаётся в область цилиндра соответствующую этому положению поршня для совершения рабочего хода рабочего тела (для перемещения поршня из окрестности клапана К1 в окрестность клапана К3), с отсечкой (закрытие клапана К1) подачи рабочего тела (перегретого пара) из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] в зависимости от режима работы двигателя;

– совершается рабочий ход рабочего тела, а именно, перемещение поршня из окрестности клапана К1 в окрестность клапана К3 (цилиндр 1), вначале при давлении и температуре рабочего тела соответствующего давлению и температуре рабочего тела

в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] (перегретый пар), а затем, после отсечки (закрытие клапана К1) подачи рабочего тела из КПТ [(+Q₁), (+q₁), (+q_П)], с понижением давления и понижением температуры, возможно образование дисперсии (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), но не обязательно, предпочтительнее понижение давления и понижение температуры до состояния «сухой насыщенный пар»;

– при обратном ходе поршня в цилиндре 1, а именно, при перемещении поршня из окрестности клапана К3 в окрестность клапана К1, после подачи рабочего тела (перегретого пара) в цилиндр 1 в окрестность клапана К3 (после открытия клапана К3), происходит выталкивание рабочего тела (сухого насыщенного или влажного пара) отработавшего в цилиндре высокого давления (цилиндр 1) со стороны окрестности клапана К1, в переходную ёмкость (ресивер) после открытия клапана К2;

– из переходной ёмкости (ресивера) рабочее тело (сухой насыщенный или влажный пар) подаётся в цилиндр 2 после открытия клапана К5 для совершения рабочего хода рабочего тела в цилиндре 2;

– рабочее тело из переходной ёмкости (ресивера) через клапан К5 подаётся в цилиндр 2 с отсечкой (закрытие клапана К5) подачи рабочего тела в зависимости от режима работы двигателя;

– в цилиндре 2 совершается рабочий ход рабочего тела, вначале при давлении и температуре рабочего тела соответствующих давлению и температуре рабочего тела в переходной ёмкости (ресивере), а затем, после отсечки (закрытие клапана К5) подачи рабочего тела из переходной ёмкости (ресивера), с понижением давления и понижением температуры и образованием дисперсии (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), если в переходной ёмкости (ресивере) рабочее тело было в состоянии «сухой насыщенный пар», если же в переходной ёмкости (ресивере) рабочее тело уже было в состоянии дисперсии (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), то происходит дальнейшее уменьшение газовой фазы дисперсии и увеличение жидкой фазы (капель жидкости);

– в то время как в цилиндре 2 совершается рабочий ход рабочего тела, в цилиндре 3 совершается сжатие рабочего тела (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), оставшегося от предыдущего такта рабочего хода рабочего тела, до давления равного давлению в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] и выталкивание его (рабочего тела) в полость

КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] после открытия самодействующего клапана К8, а именно, сжатие и выталкивание в полость КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] дисперсии (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости);

– в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] происходит испарение жидкой фазы дисперсии (испарение капель жидкости) и дальнейший нагрев рабочего тела состоящего уже только из газовой фазы (перегрев пара) до давления и температуры при которой рабочее тело (перегретый пар) подаётся в цилиндр высокого давления (цилиндр 1) после открытия клапана К1;

– при нахождении поршня цилиндра высокого давления (цилиндр 1) в окрестности клапана К1, рабочее тело (предпочтительно состояние «перегретый пар») из камеры подвода положительной теплоты КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] после открытия клапана К1 подаётся в область цилиндра соответствующую этому положению поршня для совершения рабочего хода рабочего тела (для перемещения поршня из окрестности клапана К1 в окрестность клапана К3), с отсечкой (закрытие клапана К1) подачи рабочего тела (перегретого пара) из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] в зависимости от режима работы двигателя;

– термодинамический цикл замкнут.

Далее следующий термодинамический цикл.

При подаче рабочего тела в цилиндр 1 при начальном положении поршня в окрестности клапана К3, термодинамический цикл протекает аналогичным образом.

Для практического использования схемы конструктивного исполнения поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ и ВПС на основе преобразованного ПД при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»,

в качестве возможного варианта напрашивается модернизация и возврат в промышленную эксплуатацию паровозов, находящихся на консервации.

Поскольку конструктивное оформление дополнительного узла ВПС для существующих паровозов возможно только в виде отдельно выполненного узла блочного типа, имеющего вполне значимую массу и существенные габаритные размеры, то для монтажа оборудования дополнительного узла ВПС потребуется, скорее всего, специально спроектированная железнодорожная платформа, прицепляемая к передней части паровоза.

Хлопотно, затратно и не совсем понятен конечный результат?

Да, хлопотно, затратно и конечный результат не очевиден, но в случае успеха все затраты окупятся многократно и многогранно.

Схема конструктивного исполнения поршневого ДВПТ с ВПС на основе преобразованного ДВС

Рис. 10. Схема конструктивного исполнения поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ и ВПС на основе преобразованного ДВС при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»

К1, К2, К3, К4, К5, К7 – клапаны ГРМ с приводом.

К6, К8 – самодействующие клапаны ГРМ.

На рис. 10 представлена схема поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ и ВПС на основе преобразованного ДВС при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость», в составе двух цилиндров высокого давления одностороннего действия (ДВС) и двух цилиндров низкого давления одностороннего действия (ВПС).

Цилиндр 1 и цилиндр 2 – цилиндры преобразованного ДВС.

Цилиндр 3 и цилиндр 4 – цилиндры ВПС.

Для схемы представленной на рис. 10.

Цилиндр 1 и цилиндр 2 одинаковы по конструктивному исполнению и равнозначны по функциональному назначению, поршни в цилиндрах задействованы на один коленчатый вал с движением в противоположных направлениях, а именно, «рабочий ход рабочего тела в одном цилиндре – выталкивание рабочего тела от предыдущего такта рабочего хода рабочего тела в переходную ёмкость (ресивер) в другом цилиндре».

Цилиндр 3 и цилиндр 4 одинаковы по конструктивному исполнению и равнозначны по функциональному назначению, поршни в цилиндрах задействованы на один коленчатый вал с движением в противоположных направлениях, а именно, «рабочий ход рабочего тела в одном цилиндре – сжатие и выталкивание в полость КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] рабочего тела от предыдущего такта рабочего хода рабочего тела в другом цилиндре».

Под «сжатием и выталкиванием в полость КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] рабочего тела от предыдущего такта рабочего хода рабочего тела» понимается сжатие и выталкивание дисперсии (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), образовавшейся в результате рабочего хода рабочего тела.

Порядок работы (для начального положения поршней показанного на рис. 10):

– термодинамический цикл в цилиндре 1;

– при нахождении поршня цилиндра 1 в окрестности обозначенной линией ПМО, рабочее тело (предпочтительно состояние «перегретый пар») из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] после открытия клапана К1 подаётся в цилиндр 1 для совершения рабочего хода рабочего тела, с отсечкой (закрытие клапана К1) подачи рабочего тела из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] в зависимости от режима работы двигателя;

– совершается рабочий ход рабочего тела в цилиндре 1, а именно, перемещение поршня из окрестности обозначенной линией ПМО в окрестность обозначенной линией ПБО, вначале при давлении и температуре рабочего тела соответствующего давлению и температуре рабочего тела в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] (предпочтительно состояние «перегретый пар»), а затем, после отсечки (закрытие клапана К1) подачи рабочего тела из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)], с понижением давления и понижением температуры, возможно образование дисперсии (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), но не обязательно (предпочтительнее состояние «сухой насыщенный пар»);

– при обратном ходе поршня в цилиндре 1 (за счёт коленчатого вала воздействующего на поршень посредством шатуна), а именно, перемещение поршня из окрестности обозначенной линией ПБО в окрестность обозначенной линией ПМО, происходит выталкивание рабочего тела отработавшего в цилиндре 1, в переходную ёмкость (ресивер) после открытия

клапана К2;

– из переходной ёмкости (ресивера) рабочее тело поступает в цилиндр 3 после открытия клапана К5 для совершения рабочего хода рабочего тела в цилиндре 3;

– рабочее тело из переходной ёмкости (ресивера) после открытия клапана К5 подаётся в цилиндр 3 с отсечкой (закрытие клапана К5) подачи рабочего тела в зависимости от режима работы двигателя;

– в цилиндре 3 совершается рабочий ход рабочего тела, а  именно, перемещение поршня из окрестности обозначенной линией ПМО в окрестность обозначенной линией ПБО, вначале при давлении и температуре рабочего тела соответствующих давлению и температуре рабочего тела в переходной ёмкости (ресивере), а затем, после отсечки

(закрытие клапана К5) подачи рабочего тела из переходной ёмкости (ресивера), с понижением давления и понижением температуры и образованием дисперсии (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), если в переходной ёмкости (ресивере) рабочее тело было в состоянии «сухой насыщенный пар», если же в переходной ёмкости (ресивере) рабочее тело уже было в состоянии дисперсии (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), то происходит дальнейшее уменьшение газовой фазы дисперсии и увеличение жидкой фазы (капель жидкости);

– в то время как в цилиндре 3 совершается рабочий ход рабочего тела, в цилиндре 4 совершается сжатие рабочего тела (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), оставшегося от предыдущего такта рабочего хода рабочего тела, до давления равного давлению в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] и выталкивание его (рабочего тела) в полость

КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] через самодействующий клапан К8, а именно, сжатие и выталкивание в полость КПТ [(+Q₁), (+q_П) (+q₁), (+q_П)] дисперсии (газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости);

– в КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] происходит испарение жидкой фазы дисперсии (испарение капель жидкости) и дальнейший нагрев рабочего тела состоящего уже только из газовой фазы (перегрев пара) до давления и температуры при которой рабочее тело (перегретый пар) подаётся в цилиндр 1;

– при нахождении поршня цилиндра 1 в окрестности обозначенной линией ПМО, рабочее тело (предпочтительно состояние «перегретый пар») из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] после открытия клапана К1 подаётся в цилиндр 1 для совершения рабочего хода рабочего тела, с отсечкой (закрытие клапана К1) подачи рабочего тела из КПТ [(+Q₁), (+q_П), (+q₁)] в зависимости от режима работы двигателя;

– для цилиндра 1 термодинамический цикл замкнут;

Далее следующий термодинамический цикл.

В цилиндре 2 преобразованного ДВС термодинамический цикл протекает аналогичным образом.

Для практического использования схемы конструктивного исполнения поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ и ВПС на основе преобразованного ДВС при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость», в качестве возможных вариантов могут быть использованы как ДВС с воспламенением от сжатия (дизели), так и ДВС с искровым зажиганием (бензиновые, газовые), отверстия для установки форсунок (свечей зажигания) закрывают заглушками, а распредвалы заменяют для работы по двухтактному циклу.

Силовая диаграмма термодинамического цикла поршневого ДВПТ с ВПС

Рис. 11. Силовая диаграмма термодинамического цикла поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ и ВПС на основе преобразованных ПД и ДВС при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость»

На силовой диаграмме (рис. 11) термодинамические процессы в термодинамическом цикле 1–2–3–4–5–6–7–8–1 распределены следующим образом: термодинамические процессы в цилиндре высокого давления преобразованного ПД и в цилиндрах высокого давления преобразованного ДВС обозначены линиями 1–2–3, а термодинамические процессы в цилиндрах ВПС обозначены линиями 4–5–6–7–8 (1).

Примечание.

При использовании силовой диаграммы (рис. 11) необходимо помнить, что масса газовой фазы рабочего тела участвующая в термодинамическом процессе обозначенном линией 5–6, превышает массу газовой фазы рабочего тела участвующую в термодинамическом процессе обозначенном линией 6–7.

Положительный эффект от поршневого ДВПТ с клапанным ГРМ и ВПС на основе преобразованных ПД и ДВС при использовании рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость» выполненного по конструктивной схеме сходной с конструктивной схемой паровой компаунд-машины [2], заключается в том, что та теплота, которая была затрачена на парообразование части рабочего тела меняющей своё фазовое состояние за время термодинамического цикла, возвращается в термодинамический цикл, а не удаляется в бóльшей своей части из термодинамического цикла посредством конденсации в конденсаторе (охладителе) после окончания термодинамического цикла и приведения его (термодинамического цикла) в исходное состояние.

Достигается положительный эффект за счёт использования в термодинамическом цикле различий в скорости термодинамических процессов: с одной стороны образования и увеличения жидкой фазы (капель) при рабочем ходе рабочего тела, а с другой стороны нагрева и испарения жидкой фазы (капель жидкости) при сжатии рабочего тела.

Поскольку процесс нагрева и испарения капель жидкости при сжатии рабочего тела происходит медленнее, чем процесс образования и роста капель жидкости при рабочем ходе рабочего тела, то работа, передаваемая посредством шатуна на коленчатый вал ВПС поршнем цилиндра ВПС при рабочем ходе рабочего тела, будет превышать работу передаваемую посредством шатуна коленчатым валом ВПС поршню цилиндра ВПС при сжатии рабочего тела (сжатие дисперсии – газовая фаза плюс жидкая фаза в виде капель жидкости), так как масса газовой фазы рабочего тела (газовой фазы дисперсии) при рабочем ходе рабочего тела будет превышать массу газовой фазы рабочего тела (газовой фазы дисперсии) при сжатии рабочего тела, а работа затрачиваемая на сжатие жидкой фазы дисперсии значимо меньше работы затрачиваемой на сжатие газовой фазы дисперсии.

Примечание.

В качестве допущения принимаем, что в рассматриваемых примерах не учитывается влияние Земного притяжения (гравитационной составляющей) на величину внутренней энергии закрытой термодинамической системы при перемещениях рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы.

При практических расчётах влияние Земного притяжения (гравитационной составляющей) на величину внутренней энергии закрытой термодинамической системы при перемещениях рабочего тела во внутреннем пространстве закрытой термодинамической системы учитывать необходимо.

Выводы

Схемы конструктивного исполнения поршневых ДВПТ с клапанным ГРМ, при использовании в этих поршневых двигателях рабочего тела состоящего из смеси веществ в двухфазном агрегатном состоянии «газ – жидкость» (предпочтительнее использовать смесь веществ, в которой хотя бы одно вещество не будет изменять своего агрегатного состояния «газ» за время термодинамического цикла и будет являться несущей основой для других веществ входящих в состав смеси веществ образующих рабочее тело, которые за время термодинамического цикла изменяют, частично или полностью, своё агрегатное состояние по последовательности «жидкость – газ – жидкость»), позволяют более рационально подходить к выбору параметров термодинамического цикла (давление, температура) и режимов работы поршневой машины в целом, а также позволяют рассматривать режимы работы ДВПТ с учётом бóльшего числа особенностей внешней нагрузки (мощность, число оборотов, крутящий момент) по сравнению с ДВПТ выполненных по схемам бесклапанного регулирования параметров термодинамических циклов и использовании в качестве рабочего тела только газообразного вещества не изменяющего своего агрегатного состояния за время термодинамического цикла.

Библиографический список

1. Академия наук СССР

Комитет научно-технической терминологии

Сборник определений

Выпуск 103

«Термодинамика»

Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин.

М., Издательство «Наука», 1984. – 42 с.

2. КРАТКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ

М., Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956. – 1136с.