ДВИГАТЕЛЬ СТЕРЛИНГА Российский патент 1994 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к энергетическому и транcпортному машиностроению, в частности к двигателестроению.

Известен класс двигателей внутреннего сгорания, которые получили подавляющее распространение как в энергетике так и на транспорте. Недостатком такого типа двигателей являются низкие экологические показатели, в частности по уровню производимого шума и токсичности выхлопных газов.

В другом классе двигателей, к которому относятся двигатели Стирлинга, применяется внешний подвод теплоты к рабочему телу, что создает предпосылки для существенного снижения шума и токсичности при работе на нефтяном топливе, а также для применения экологически чистых источников энергии, таких, как тепловые аккумуляторы или солнечная энергия. Широкому распространению такого типа двигателей препятствует то обстоятельство, что они, будучи более громоздкими из-за более развитой системы охлаждения, не обеспечивают заметного снижения расхода нефтяного топлива, которое сегодня является основным. Переориентация энергетического и транспортного машиностроения на новый тип двигателя в таких условиях не оправдывается экономически.

Наиболее совершенным представителем этого класса двигателей является традиционный двигатель Стирлинга, выполненный по схеме простого или двойного действия. Из-за больших величин мертвого объема и малых степеней сжатия в этом двигателе газ внутри цилиндра имеет ограниченные возможности для расширения. Поэтому необходимый перепад давления по одну и другую сторону поршней, при котором только и возможно выполнение полезной работы, приходится создавать не столько за счет эффективного расширения газа в цилиндре, сколько за счет его интенсивного охлаждения в радиаторе. Результатом являются сравнительно высокие потери тепла в системе охлаждения: до 50% полной энергии топлива против 20% в дизеле. Эти потери частично компенсируются более низкими потерями с выхлопными газами (14% против 44 в дизеле), однако полезная работа в двигателе Стирлинга не превышает аналогичный показатель в дизеле (36% для обоих типов двигателей).

Для повышения КПД двигателя Стирлинга прибегают к различным схемам перепуска рабочего тела. По одной схеме перепуск осуществляется в пределах одного и того же цилиндра: в обход охладителя при вытеснении рабочего тела из полости сжатия в полость расширения и в обход нагревателя при обратном движении рабочего тела. По другой схеме, принимаемой далее за прототип, перепуск рабочего тела осуществляется из цилиндра в специальную емкость и другой цилиндр двигателя. Недостатки указанных схем обусловлены использованием в них традиционных схем регенераторов, чаще всего сетчатых, имеющих высокое гидравлическое сопротивление: малая эффективность перепуска рабочего тела, невозможность использования в качестве последнего воздуха, малая надежность. Существенным недостатком двигателей Стирлинга является также весьма сложная и инерционная схема регулирования мощности.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности перепуска рабочего тела и двигателя в целом за счет отказа от использования традиционных схем регенераторов либо снижения нагрузки на них, а также упрощение схемы регулирования мощности двигателя.

Двигатель-прототип содержит следующие общие с изобретением существенные признаки: по меньшей мере две цилиндрово-поршневые группы с противофазным размещением поршней, нагреватель, (регенератор) и охладитель, рабочие полости которых сообщены между собой и заполнены рабочим телом с образованием газового контура с циклически изменяемым по объему холодными и горячими полостями цилиндров, которые предназначены для реализации процессов сжатия и расширения рабочего тела, газовую магистраль и управляемый клапан для перепуска рабочего тела из одного цилиндра в другой при положении поршней, близком к завершению процессов расширения и сжатия соответственно.

Для достижения указанной выше цели двигатель Стирлинга с перепуском рабочего тела дополнительно снабжен низкотемпературным холодильным устройством с внутренним или внешним охлаждением рабочего тела, включенным в газовый контур между охладителем и холодной полостью цилиндра, а газовая магистраль для перепуска рабочего тела подключена к горячим полостям цилиндров. Последнее обстоятельство позволяет осуществить перепуск горячего рабочего тела из цилиндра в цилиндр прямым путем, минуя регенераторы и тем самым избежать значительных гидравлических потерь при перепуске.

На фиг. 1 представлена четырехцилиндровая схема двигателя Стирлинга двойного действия с перепуском рабочего тела; на фиг. 2 - диаграмма P-V (давление - объем), характеризующая идеализированный термодинамический цикл двигателя Стирлинга с перепуском тела; на фиг. 3 - пример блок-схемы силовой установки на базе предлагаемого двигателя Стирлинга.

Двигатель согласно фиг. 1 содержит цилиндрово-поршневые группы с цилиндром и поршнем 2, нагреватель 3, регенератор 4 (в частном случае последний может отсутствовать), охладитель 5 и низкотемпературное холодильное (криогенное) устройство 6. Рабочие полости этих элементов сообщены между собой и заполнены рабочим телом (газом, паром) и образованием циклически изменяемых по объему холодной 7 и горячей 8 полостей цилиндра, в которых реализуются процессы сжатия и расширения. Холодная полость каждого цилиндра сообщена с горячей полостью соседнего в единый замкнутый газовый контур, образуя на участках между поршнями смежных цилиндров отдельные так называемые "эквивалентные двигатели". Горячие полости каждой пары цилиндров с противофазным размещением поршней (I и III, II и IV) сообщены между собой газовой магистралью 9 с управляемым клапаном 10, которые предназначены для осуществления перепуска рабочего тела. Перепуск осуществляется при положении поршней, близком к завершению процесса расширения в одном "эквивалентном двигателе" и процесса сжатия в другом. Необходимый гармонический закон возвратно-поступательного движения поршней и его преобразование во вращение выходного вала двигателя осуществляется при помощи шатунно-кривошипного механизма 11.

Двигатель Стирлинга двойного действия с перепуском рабочего тела работает следующим образом.

При включенных нагревателе 3, охладителе 5 и низкотемпературном холодильном устройстве 6 и вращении выходного вала двигателя в цилиндрах 1 последовательно, со сдвигом фаз на 90 градусов по углу поворота вала осуществляется перемещение рабочего тела из горячей полости 8 в холодную 7 и обратно. Когда большая часть газа "эквивалентного двигателя" находится в холодной полости, давление его минимально; при перемещении газа из холодной полости в горячую давление его повышается, достигая максимального при максимальном объеме горячей полости. Следовательно когда давление газа в одном "эквивалентном двигателе" повышается, в противоположном по фазе "эквивалентном двигателе" оно понижается, благодаря чему и при наличии шатунно-кривошипного или другого механизма преобразования создается крутящий момент на валу двигателя. В конце процесса расширения газа в "эквивалентном двигателе" горячая полость 8 цилиндра посредством управляемого клапана 10 сообщается с горячей полостью "эквивалентного двигателя", в котором к этому моменту завершается пpоцесс сжатия, и происходит перепуск большей части горячего газа из первого цилиндра во второй (на фиг. 1 этому моменту отвечает перепуск газа из цилиндра III в цилиндр I). В охладителе 5 происходит понижение температуры рабочего тела до величины 20-50^оС за счет отвода тепла в окружающую среду, а в низкотемпературном холодильном устройстве 6 дальнейшее понижение температуры вплоть до криогенных величин. Аналогичным образом может быть реализована многоцилиндровая схема двигателя Стирлинга простого действия с перепуском рабочего тела.

Эффект от перепуска рабочего тела становится очевидным и наглядным при анализе фиг. 2. Здесь фигура 1-2-3-4-1 представляет полезную работу традиционного цикла Стирлинга: подвод теплоты от нагревателя осуществляется по изохоре 2-3 и продолжается при расширении газа по изотерме 3-4; отвод теплоты в охладитель осуществляется по изохоре 4-1 и продолжается при сжатии газа по изотерме 1-2. Организация перепуска рабочего тела по схеме фиги. 1 с низкотемпературным холодильным устройством вносит следующие качественны коррективы в этот цикл. На участке 4-1 происходит падение давления газа в результате его динамического выпуска в другой цилиндр; На участке изохоры 1-5 происходит дальнейшее падение давления газа в результате отвода от него теплоты последовательного сначала в охладителе, затем в низкотемпературном холодильном устройстве; сжатие газа при одновременном отводе теплоты осуществляется по изотерме 5-6, проходящей существенно ниже изотермы 1-2; на участке 6-2 производится динамический впуск горячего газа из другого цилиндра; на участке изохоры 2-3 осуществляется подвод теплоты к газу в нагревателе; расширение газа осуществляется как и в исходном цикле Стирлинга по изотерме 3-4. Таким образом, перепуск рабочего тела, с одной стороны, приводит к увеличению полезной работы цикла на величину, характеризуемую фигурой 1-5-6-2-1; с другой стороны этот процесс сродни процессу регенерации тепла в традиционной схеме двигателя Стирлинга, что делает возможным полностью отказаться от использования регенераторов как таковых, либо резко снизить нагрузку на них.

Если перепуск рабочего тела из одного цилиндра в другой производится раньше завершения в них процессов расширения и сжатия, то работа цикла будет определяться площадью заштрихованной фигуры на фиг. 3. Последнее обстоятельство может быть использовано для реализации весьма простой схемы регулирования мощности двигателя: путем изменения с помощью какого-либо известного механизма момента включения управляемого клапана 10 перепуска рабочего тела.

Роль низкотемпературного холодильного устройства может выполнять либо аккумулятор холода, выполненный, например, в виде теплоизолированного бака с запасом жидкого воздуха или жидкого водородного топлива, либо обычная холодильная машина с компрессором, охладителем и детандером, либо комбинация этих устройств, в которой холодильная машина служит для подзарядки аккумулятора холода. На фиг. 3 приведен пример силовой установки на базе описанного двигателя, в которой в качестве рабочего тела используется водяной пар. Холодильное устройство здесь выполнено в виде детандера 12, периодически подключаемого к двигателю 13 при помощи клапана 14, бака с водой 15 и питательного насоса 16. Пар отбирается из холодной полости цилиндров двигателя и расширяется в детандере, производя дополнительную полезную работу и конденсируясь в баке. Одновременно питательный насос компенсирует отбор пара из двигателя. Процесс охлаждения рабочего тела, таким образом, сводится к эквивалентной по массе замене в холодной полости цилиндров относительно горячего пара на холодную воду (внутренне охлаждение).

Перепуск рабочего тела в двигателе Стирлинга по описанной схеме в принципе позволяет получить более совершенную регенерацию тепла в цикле, при которой его термический КПД определяется соотношением Карно. Результатом этого является возможность реализации высоких значений термического КПД при малых величинах степени сжатия. Последнее обстоятельство, в свою очередь, дает возможность увеличить объемы теплообменников, сделав их достаточно эффективными даже при использовании в качестве рабочего тела самых доступных веществ - воздуха и воды. При этом сама собой решается и наиболее сложная инженерная проблема двигателей Стирлинга - компенсация утечек рабочего тела через уплотнения. (56) Авторское свидетельство СССР N 476369, кл. F 02 G 1/044, 1971.

Использование: энергетика и транспорт. Сущность изобретения: в многоцилиндровом двигателе Стирлинга организован перепуск рабочего тела из горячей полости цилиндра, в котором завершается процесс расширения, в горячую полость цилиндра, в котором завершается процесс сжатия. Благодаря этому потери тепла в системе охлаждения существенно снижаются, а полезная работа цикла существенно возрастает. 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА, содержащий по меньшей мере два цилиндрово-поршневые группы с противофазно размещенными поршнями, нагреватель с регенератором или без него и охладитель, рабочие полости которых сообщены между собой и заполнены рабочим телом с образованием газового контура с циклически изменяемыми по объему холодными и горячими полостями цилиндров, которые предназначены для реализации процессов сжатия и расширения рабочего тела, газовую магистраль и управляемый клапан для перепуска рабочего тела из одного цилиндра в другой при положении поршней, близком к завершению процессов расширения и сжатия соответственно, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен низкотемпературным холодильным устройством с внутренним или внешним охлаждением рабочего тела, подключенным к газовому контуру между охладителем и холодной полостью цилиндра, а газовая магистраль перепуска рабочего тела подключена к горячим полостям цилиндров. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен устройством регулирования момента включения управляемого клапана перепуска рабочего тела. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что низкотемпературное холодильное устройство выполнено на базе комбинации холодильной машины и аккумулятора холода. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используется водяной пар, а холодильное устройство выполнено в виде детандера, периодически подключаемого к холодной полости цилиндра при помощи клапана, бака с водой и питательного насоса. 5. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что в качестве акумулятора холода используется теплоизолированный бак с жидким воздухом или жидким водородным топливом.