ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ Российский патент 1994 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к двигателям с внешним подводом тепловой энергии и замкнутым рабочим циклом.

Известный двигатель с внешним подводом теплоты содержит заполненные рабочим телом первую и вторую рабочие камеры периодически изменяемого объема с поршнями, которые соединены с рабочим валом посредством кинематического механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, соединяющий эти камеры теплообменный канал с по меньшей мере одним вентилем, управляемым от рабочего вала, и охладитель рабочего тела, сообщенный с рабочими камерами через по меньшей мере один дополнительный вентиль, управляемый от рабочего вала.

Этот двигатель характеризуется сравнительно невысоким КПД вследствие невозможности повысить обороты его рабочего вала ввиду отсутствия эффективной принудительной прокачки в тактах нагрева и охлаждения рабочего тела, а также из-за того, что стенки теплообменных каналов медленно проводят тепло, так как выполняются значительной толщины, чтобы выдержать высокое давление рабочего тела (60-100 кг/см²), в то время как давление снаружи от нагревателя (например газа от сгоревшего топлива) или охладителя (воздуха) равняется приблизительно атмосферному. Снижение КПД двигателя по прототипу связано также, с повышенными энергозатратами на сжатие и охлаждение рабочего тела.

Цель изобретения - повышение КПД двигателя. Это достигается путем снижения энергозатрат при сжатии рабочего тела и его охлаждении, т. е. за счет организации термодинамического цикла Карно и ускорения процесса теплообмена между рабочим телом и нагревающей и охлаждающей средами. Положительный эффект использования предлагаемого двигателя заключается в упрощении конструкции его и уменьшении расхода рабочего тела за счет исключения системы подпитки.

Для достижения указанной цели в двигателе с внешним подводом теплоты, содержащем заполненные рабочим телом первую и вторую рабочие камеры периодически изменяемого объема с поршнями, которые соединены с рабочим валом посредством кинематического механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, соединяющий эти рабочие камеры теплообменный канал с нагревателем и по меньшей мере одним вентилем, управляемым от рабочего вала, и охладитель рабочего тела, сообщенный с рабочими камерами через по меньшей мере один дополнительный вентиль, управляемый от рабочего вала, охладитель рабочего тела выполнен в виде теплообменника, и рабочие камеры связаны между собой дополнительным каналом, в котором установлен орган перекрытия с возможностью его открытия только при закрытых вентилях. Продолжительность открытого состояния вентилей меньше продолжительности уменьшения суммарного объема рабочих камер. Нагреватель и охладитель выполнены с двойными стенками, пространство между которыми заполнено теплоаккумулирующим промежуточным теплоносителем. Стенки, отделяющие рабочее тело от промежуточного теплоносителя, тоньше стенок, отделяющих последний от нагревающей и охлаждающей сред.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый двигатель отличается тем, что охладитель рабочего тела выполнен в виде теплообменника, камеры связаны между собой дополнительным каналом, в котором установлен орган перекрытия с возможностью его открытия только при закрытых вентилях. Продолжительность их открытого состояния меньше продолжительности уменьшения суммарного объема рабочих камер. Нагреватель и охладитель имеют двойные стенки, пространство между которыми заполнено теплоаккумулирующим промежуточным теплоносителем, а стенки, отделяющие рабочее тело от промежуточного теплоносителя, выполнены тоньше стенок, отделяющих последний от нагревающей и охлаждающей сред.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "новизна". Анализ известных технических решений-аналогов позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом двигателе, и признать предложение соответствующим критерию изобретения "cущественные отличия".

На фиг. 1 представлена схема двигателя (управляющие вентилями кулачки рабочего вала условно повернуты в плоскость чертежа); на фиг. 2 - схема теплообменного канала, выполненного с возможностью регулирования скорости вращения рабочего вала и имеющего двойные стенки, между которыми находится теплоаккумулирующая жидкость с возможностью циркулирования от насоса; на фиг. 3 - диаграмма замкнутого рабочего цикла в координатах объем-давление P-V рабочего тела, где V - суммарный объем двух рабочих камер.

Двигатель состоит из заполненных рабочим телом (газом под высоким давлением) первой 1 и второй 2 рабочих камер периодически изменяемого объема с поршнями 3 и 4, которые соединены с рабочим валом 5 посредством кинематического механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, шатунов 6 и коленных кривошипов 7 рабочего вала 5. Камеры 1 и 2 соединяются теплообменными каналами 8 и 9. Канал 8 связан с нагревателем 10, а канал 9 - с охладителем 11. Каналы оснащены вентилями 12 и 13, предназначенными для регулирования прохождения рабочего тела через теплообменные канала 8 и 9. Эти вентили управляются от рабочего вала 5 посредством закрепленных на нем кулачковых элементов 14 и 15. Охладитель рабочего тела выполнен в виде теплообменника 9, помещенного в охлаждающую среду.

Рабочие камеры двигателя выполнены так, что максимальный объем камеры 1 больше максимального объема камеры 2 на величину, равную разности объемов рабочего тела при его минимальном и максимальном давлениях. Вентиль 12 канала 8, связанного с нагревателем 10, выполнен с возможностью обеспечения прохождения рабочего тела через этот канал только во время увеличения суммарного объема камер 1 и 2, а вентиль 13 канала 9, связанного с охладителем 11, - только во время уменьшения упомянутого объема обеих камер. Подпружиненные вентили 12 и 13 открываются и закрываются путем воздействия на штанги 16 и 17 выступов 18 и 19 кулачков 14 и 15. Открытие вентиля 12 совпадает с положением 3 в верхней мертвой точке (ВМТ), а открытие вентиля 13 - с положением этого поршня в нижней мертвой точке (НМТ).

Камеры 1 и 2 связаны между собой дополнительным каналом 20, который изолирован от внешней среды и в котором установлен орган перекрытия - вентиль 21 с управлением от рабочего вала 5 путем воздействия на штангу 22 выступов 23 кулачка 24. Вентиль 21 находится в открытом состоянии только в периоды закрытых положений обоих вентилей (12 и 13) теплообменных каналов 8 и 9. Продолжительность открытого состояния вентилей 12 и 13 меньше периода увеличения (уменьшения) суммарного объема камер 1 и 2 (на фиг. 1 и 3 линия "а-б" меньше "а-в", "в-г" меньше "в-а").

В двигателе предусматривается регулирование скорости вращения рабочего вала 5 путем закрытия или открытия последовательно ряда параллельных ветвей теплообменных каналов 8 и 9, например, с помощью заслонки 25 (фиг. 2). При этом соблюдается условие синхронности перекрывания ветвей обоих теплообменных каналов. Рабочий вал 5 снабжен маховиком 26.

Рабочие камеры и их поршни выполнены из теплоизолирующих материалов, например, специальной керамики.

Для ускорения теплообмена между рабочим телом и теплоносителем, позволяющего повысить скорость вращения рабочего вала и улучшить характеристики двигателя, нагреватель и охладитель с теплообменными каналами выполняются с двойными стенками 27 и 28, пространство между которыми заполнено циркулирующей с помощью насоса 29 теплоаккумулирующим промежуточным теплоносителем 30, например жидкостью, находящейся под давлением, равным среднему значению Р_ср давления рабочего тела в процессе работы двигателя, т. е. Р_ср = (Р_max + P_min)2. Стенки 27, отделяющие рабочее тело от промежуточного теплоносителя 30, выполнены тоньше стенок 28, отделяющих последний от нагревающей 10 и охлаждающей 11 сред. Выполнение внутренних стенок 27 теплообменных каналов, точнее нагревателя 10 и охладителя 11, тоньше наружных 28 возможно потому, что величины давлений теплоаккумулирующей жидкости 30 и рабочего тела близки. Иными словами, толщина стенок 27 определяется из условия обеспечения их прочности при незначительной разности указанных давлений. Наоборот, наружные стенки 28 должны иметь толщину, значительно большую по сравнению с внутренними стенками 27, чтобы выдержать перепад давлений порядка 100 атм между теплоаккумулирующей жидкостью и средой нагревания (охлаждения).

Двигатель работает следующим образом.

Причем за начало цикла положение элементов двигателя, изображенное на фиг. 1, что соответствует точке а на фиг. 3, а именно: поршень 3 большой камеры 1 находится в крайнем верхнем положении - ВМТ, поршень 4 малой камеры 2 соответственно в НМТ, вентиль 12 открыт, вентили 13 и 21 закрыты, камеры 1 и 2 сообщаются только через теплообменный канал 8.

Тепловая энергия нагревателя 10 нагревает рабочее тело в теплообменном канале 8, в результате чего оно расширяется, а так как площадь поршня 3 больше площади поршня 4, то первый будет двигаться вниз, а второй соответственно вверх. Новые порции ненагретого рабочего тела из камеры 2 вытесняются поршнем 4 в теплообменник 8, после чего, нагреватель и увеличиваясь в объеме, поступают в камеру 1.

Таким образом, вследствие принудительной прокачки рабочего тела через теплообменный канал 8 из камеры 2 в камеру 1, т. е. во время увеличения их суммарного объема, большая часть замкнутого рабочего тела подвергается контактному нагреванию от теплоносителя и изотермическому расширению. В результате процесс передачи тепла от нагревателя 10 рабочему телу в замкнутой системе камер 1 и 2 существенно ускоряется, что приводит к увеличению скорости движения поршня 3 вниз и вращения рабочего вала 5. Когда поршни 3 и 4 пройдут более половины пути между ВМТ и НМТ (поз. б на фиг. 1 и 3) вентиль 12 разобщит камеры 1 и 2, т. е. закроется, а вентиль 21 соединит их (откроется). Вследствие продолжающегося по инерции вращения рабочего вала 5 за счет энергии маховика 26, а следовательно, и движения поршней 3 вниз и 4 вверх, прокачка рабочего тела из камеры 2 в камеру 1 продолжается, а именно по дополнительному каналу 20, изолированному от внешней среды. Поэтому увеличение объема рабочего тела происходит без обмена тепла, т. е. по адиабатическому закону (участок диаграммы б-в на фиг. 3).

В момент нахождения поршня 3 в НМТ, закрывается вентиль 21 и открывается вентиль 13. Камеры 1 и 2 оказываются сообщенными через канал 9 с охладителем 11. Начинается процесс сжатия рабочего тела с одновременным его охлаждением в теплообменном канале 9. При движении поршня 3 вверх, а поршня 4 вниз суммарный объем рабочих камер 1 и 2 уменьшается. Рабочее тело, проходя по каналу 9, отдает свое тепло. Процесс уменьшения объема и охлаждения рабочего тела протекает по изотерме в-г (фиг. 3) и продолжается до тех пор, пока не закроется вентиль 13 и не откроется вентиль 21. Далее поршни продолжают двигаться по инерции, рабочее тело из камеры 1 в камеру 2 перекачивается только по каналу 20, сжимается и в отсутствии теплоотдачи разогревается до температуры нагревателя 10, т. е. процесс протекает по адиабате г-а, что и приводит к повышению КПД двигателя.

Когда поршень 3 достигнет ВМТ, вентиль 21 закроется, а вентиль 12 откроется, и описанный выше цикл повторяется. Положения точек б и г, т. е. моменты открывания вентиля 21 и закрывания вентилей 12 и 13, выбираются по конструктивным особенностям двигателя.

Для регулирования скорости вращения рабочего вала последовательно подключаются или отключаются одноименные параллельные ветви теплообменных каналов 8 и 9. Чтобы получить наименьшую скорость, заслонкой 25 перекрывают все кроме одной ветви в каждом из каналов 8 и 9; продолжительность нагревания и охлаждения рабочего тела возрастает. При подключении других ветвей время нагрева и охлаждения уменьшается, а скорость вращения рабочего вала увеличивается.

Рассмотрим теплообменный процесс в канале 8 с двойными стенками 27 и 28 и теплоаккумулирующей жидкостью 30 (фиг. 2).

Горячая среда (теплоноситель), например газ от сгорания топлива, нагревает толстые наружные стенки 28 и через них всю массу жидкости 30 до температуры этого газа. Протекающее по теплообменному каналу 8 рабочее тело благодаря тонким стенкам 27 быстро нагревается. Несмотря на отданное жидкостью 30 тепло температура ее слоев, непосредственно прилегающих к стенкам 27, вследствие постоянного перемешивания всей жидкости с помощью насоса 29 не может существенно уменьшиться. Тем самым обеспечивается интенсивный и постоянный подвод тепловой энергии к тонким стенкам 27.

Процесс теплообмена в канале 9 протекает аналогично, с той лишь разницей, что здесь тепловая энергия передается в обратном направлении - от стенок 27 к жидкости 30 и далее в холодную среду.

Предлагаемый двигатель найдет широкое применение, в том числе и в автомобильном транспорте, поскольку он экономичен, имеет высокий КПД и может работать на любом топливе, а также от тепловых аккумуляторов, которые, как известно, экологичны, быстро заряжаются, просты и дешевы.

Использование: в силовых установках и двигателях с внешним подводом теплоты и замкнутым рабочим циклом. Сущность изобретения: двигатель содержит заполненные рабочим телом первую 1 и вторую 2 рабочие камеры с поршнями 3 и 4. Охладитель 11 рабочего тела выполнен в виде теплообменника. Камеры 1 и 2 связаны между собой дополнительным каналом 20, в котором установлен орган перекрытия 21 с возможностью открывания только при закрытых вентилях 12 и 13, причем продолжительность открытого состояния вентилей меньше продолжительности уменьшения суммарного объема рабочих камер. Нагреватель 10 и охладитель выполнены с двойными стенками, пространство между которыми заполнено теплоаккумулирующим промежуточным теплоносителем. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ, содержащий заполненные рабочим телом первую и вторую рабочие камеры периодически изменяемого объема с поршнями, которые соединены с рабочим валом посредством кинематического механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, соединяющий эти камеры теплообменный канал с нагревателем и по меньшей мере одним вентилем, управляемым от рабочего вала, и охладитель рабочего тела, сообщенный с рабочими камерами через по меньшей мере один дополнительный вентиль, управляемый от рабочего вала, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, охладитель рабочего тела выполнен в виде теплообменника, камеры связаны дополнительным каналом, в котором установлен орган перекрытия с возможностью открывания только при закрытых вентилях, причем продолжительность открытого состояния вентилей меньше продолжительности уменьшения суммарного объема рабочих камер. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что нагреватель и охладитель выполнены с двойными стенками, пространство между которыми заполнено теплоаккумулирующим промежуточным теплоносителем, причем стенки, отделяющие рабочее тело от промежуточного теплоносителя, выполнены тоньше стенок, отделяющих последний от нагревающей и охлаждающей сред.