ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА Российский патент 1994 года по МПК F01B1/02 F01K21/02 

Изобретение относится к двигателестроению для использования во всех областях народного хозяйства: на железнодорожном, водном, автомобильном, тракторном, воздушном транспортах и на тепловых электростанциях.

Известен двигатель Стирлинга с ромбовидным приводом, содержащий пространство расширения, буферную зону, цилиндр, поршень, вытеснитель, рабочий поршень с шатунами, регенератор и холодильник.

Основными недостатками являются: большая масса и габариты, сложность механизма, состоящие из большого числа движущихся частей, трущихся поверхностей, снижающих КПД.

Известен поршневой двигатель с внешним подводом тепла (авт. свх N 989120, кл. F 01 B 1/02, 1981, прототип), содержащий поршень, цилиндр с продувочными окнами, коленчатый вал.

Недостатками являются:
недостаточно мощный;
не использована скрытая возможность, выражающаяся тем, что сам двигатель нужно использовать в качестве тормозной системы, если его использовать в транспортных средствах, а также использовать в качестве компрессора и вакуум-насоса.

Цель настоящего изобретения - повысить мощность в два раза и КПД, ресурсы - около четырех раз; при установке двигателя на автомобиль (любой самодвижущийся экипаж) использовать его скрытую возможность, т.е. использовать в качестве тормозного механизма, компрессора и вакуум-насоса.

На фиг.1 изображен поперечный разрез двигателя, когда поршень находится на ВМТ; на фиг.2 - поперечный разрез двигателя, когда поршень находится между ВМТ и НМТ; на фиг.3а, б, в, г - распределительный механизм с деталировкой; на фиг. 4а, б, в, г - разрезанное колесо по полосам; на фиг.5а, б - устройство клапана - один открыт, другой закрыт; на фиг.6 - топка с змеевиками; на фиг.7а, б, в - графики тормозной системы.

Поршневой двигатель с внешним подводом тепла с двумя топками, содержит (фиг. 1, 2, 3, 4, 5) топку 1, топку 2, с насос-форсунками 3, головку блока 4, теплоизоляцию 5, камеру испарения 6 (когда двигатель большой мощности, в одной камере будет установлено несколько насос-форсунок 3), цилиндр 7 (блок цилиндров), содержит продувочные отверстия 8, 9, паровые окна 10, днище 11, картер 12 двигателя, поршень 13, шток 14, шатун 15, коленчатый вал 16.

Распределительный механизм содержит распределительный вал 17, ведущую шестерню 18, закрепленную на торце коленвала 16, ведомую шестерню 19, закрепленную на торце распредвала 17, колесо 20, насаженное на распредвал 17 напротив каждого цилиндра 7, радиальная поверхность которого разделена (условно или черточками) на равные полосы. При выполнении двигателем разных функций (компрессор, вакуум-насос, тормозная система и т.д.) полосы могут быть больше (если двигатель будет выполнять только свою функцию - полосы будет две) и они обозначены буквами а, б, в, г (фиг.3а, г), притом полосы могут быть изготовлены отдельно, потом закреплены. На второй г, четвертой б полосах от шестерни 19 (фиг. 3а) закреплены кольцевые выступы 21, 22. Каждый из них занимает противоположно расположенный сектор с равными углами.

Угол α около α =180^о (фиг.4б, г). На первой а, третьей в полосах закреплены малые выступы 23, 24 (когда двигатель будет выполнять функцию тормозной системы), занимающие противоположные секторы с углом α ₁=15^о (фиг. 4а, в). Толкатели 25, 26 со шляпками 27. Толкатель 25 выполнен с выступом 28, толкатель 26 - с выступом 29. На фиг.1, 2 выступ 29, выполненный с толкателем, находится за толкателем 26, поэтому толкателя 25 не видно.

Подвижная (двигающаяся горизонтально - показаны стрелками) рама 30 с тремя горизонтальными планками и двумя крайними вертикальными стойками (на фиг. 3а левая стойка не видна - срезана). На двух нижних планках выполнены вертикальные отверстия 31, взаимодействующие с толкателями 25, 26. Отростки 32 закреплены на торцах нижней планки и вставлены в гнезда 33, закрепленные на картере 12.

Кулачковый вал 34, выполненный с кулаками 35, взаимодействующими со шляпками 27 (против каждого цилиндра 7), вставлен в отверстия 36, выполненные на вертикальных стойках рамы 30 и на противоположных стенках камеры 12. Вал 34 застопорен на стойках рамы 30 стопором 37 и оканчивается маховиком 38.

Верхний клапан 39 (нижний клапан 40 (фиг.5) содержит стержень 41, тарелку 42, ролик 43, пружину 44.

В полостях топок 1, 2 (фиг.6) устанавливаются легкосъемные змеевики 45 (топки 1, 2 тоже легкосъемные), насос 46.

Каждый цилиндр 7 в многоцилиндровом двигателе имеет отдельную камеру испарения 6, разделенную перегородками 47 (фиг.6), выходной патрубок 48, топливные форсунки 49.

Когда двигатель выполняет функцию компрессора, сбоку цилиндра 7 на уровне клапана 39 устанавливается всасывающий шариковый, обратный клапан 52 (известен, фиг.8а).

Работа поршневого двигателя с внешним подводом тепла с двумя топками заключается в том (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8), что в топке, установленной в полости головки блока 4, сжигается любое топливо: мазут, газ, включая водород, пылевидное твердое топливо, а на стационарных двигателях будут сжигаться торф, древесина, сланец и т.д. Питательная вода (фиг.6) от насоса 46, двигаясь по труболинии (показано стрелками), попадая в змеевики 45, помещенные в полости топок 1, 2, облицованные теплоизоляцией 5 (для обогрева питательной воды используются тепло отработавшего пара, для чего змеевик устанавливается в картере 12 и т.д.) и в выходном патрубке 48. В пламени топливных форсунок 49 (показано стрелками) питательная вода превращается в насыщенный пар.

Когда поршень 13 находится на ВМТ (верхняя мертвая точка) клапаны 39, 40 закрыты, так как между торцом толкателей 26, 25 и радиальной поверхностью колеса 20 имеется зазор "е" (фиг.3б, 5а), следовательно, в течение 180^о поворота вала 17 трение и износ отсутствуют. В д.в.с. между торцом коромысла 15, кулаком 10 затор отсутствует, следовательно, трение, износ имеются.

Перед началом движения поршня 13 в сторону НМТ (нижняя мертвая точка) насос-форсункой 3 на накаленную поверхность топки 1 впрыскивается насыщенный пар (фиг.6).

Насыщенный пар в камере испарения 6 от высокой температуры, превращаясь в перегретый пар, что резко повышает давление Р над поршнем 13, который, двигаясь вместе со штоком 14 в сторону НМТ, взаимодействуя с шатуном 15, вращает коленвал 16 (показано стрелкой и обозначено буквой ω ). Впрыск насыщенного пара в зависимости от нагрузки может длиться по-разному. На фиг. 7б впрыск длится 120^о поворота коленвала 16. Впрыскиваемый насыщенный пар по объему незначительный и он превращаясь в перегретый пар, повышает давление не бурно, следовательно, давление в цилиндре 7 не превышает 20-25 кгс/см², а в д. в.с. 110 кгс/см², температура около 2000^оС. Предложенный двигатель будет работать более спокойно при температуре около 400-600^оС, следовательно, износ и ресурс будут больше не менее чем в четыре раза.

Шестерня 18, взаимодействующая с шестерней 19, приводит во вращение распредвал 17 и колесо 20. Кольцевой выступ 21, закрепленный на радиальную поверхность колеса 20 в полосе г (фиг.3а), взаимодействующий с подпружиненным толкателем 26 (фиг.2), двигает выступ 29, закрепленный на толкателе 26 на верх. Выступ 29, взаимодействующий с (торцом) роликом 41 (фиг.5б), закрепленном на стержне 41, поджимая пружину 44, упирающуюся на тарелку 42, двигает клапан 40 влево, соединяя нижнюю полость поршня 13, закрытого днищем 11 через отверстие с пространством картера 12. Таким образом, когда над поршнем происходит рабочий ход, под поршнем 13 не может происходить сжатие. Конденсат из картера 12 насосом 46 направляется в питательную трубу (стрелки, фиг.6). Впрыск насыщенного пара в точке б прекращается (фиг.7б), далее до точки в идет расширение. Рабочий ход длится 180^о поворота коленвала.

Опережение впрыска насыщенного пара в испарительную камеру будет определяться на практике.

На фиг. 7в - график, линия а-б - цикл выталкивания, происходящая в нижней полости поршня 13, когда на его верхней полости происходит рабочий ход.

Как только поршень 13 дойдет до НМТ, кольцевой выступ 21 пройдет из-под толкателя 26 и он опустится с зазором е (фиг.3а, б) между поверхностью колеса 20; стержень 41 (ролик 43) тоже опустится от поверхности выступа 29 (фиг. 5а) и между роликом 53 и толкателем 26 образуется зазор е, клапан 40 закрывается.

С началом движения поршня 13 в сторону ВМТ насосом-форсункой 3 на накаленную поверхность топки 2 впрыскивается насыщенный пар, который в камере испарения 6, превращаясь в перегретый пар, проходя через паровые окна 10 в цилиндр 7, давит на нижнюю поверхность поршня 13 и он двигается, вращая коленвал 16. Перед движением поршня 13 в сторону ВМТ кольцевой выступ 22, взаимодействуя с толкателем 25, выполнен с выступом 28, взаимодействующим с роликом 43, клапан 39, двигаясь влево, соединяет через продувочное отверстие 8 полость цилиндра 7 с полостью картера 12 и отработавший пар выталкивается.

Как только поршень 13 дойдет до ВМТ, кольцевой выступ 22 пройдет из-под толкателя 25 и он опустится с зазором е (фиг.3а, б) между поверхностью колеса 20, стержень 41 (ролик 43) тоже опустится от поверхности выступа 28 (на фиг. 5а) и между роликом и толкателем 25 образуется зазор е, клапан 39 закроется.

Рабочий ход длится 180^о поворота коленвала 16. Остальное изложено выше (фиг.7а, в).

Далее процесс повторяется.

При установке на автомобили предложенного двигателя, отпадает необходимость, кроме стояночного, установки всех других тормозных систем.

Для остановки движущегося автомобиля (фиг.3б, в, г, 4в, г) впрыск насыщенного пара в цилиндр 7 прекращается, затем маховик 38 поворачивается на угол 90^о (показано стрелкой), он закреплен на торце кулачкового вала 34, взаимодействует с отверстиями 36, выполненными на стойках рамы 30 застопоренным стопором 37. При этом кулаки 35, выполненные на кулачковом валу 34, взаимодействующие с шляпками 27, поднимают толкатели 25, 26, взаимодействующие с отверстиями 31, выполненными на двух нижних горизонтальных планках рамы 30. После подъема между торцами толкателей 25, 26 и кольцевыми выступами 21, 22, и малыми выступами 23, 24 образуется зазоры е (фиг.3в). После чего, маховиком 38 рама 30, отросток 32, взаимодействуя с гнездом 33, двигается вправо и толкатели 25, 26 становятся над полосами а, в колеса 20, где закреплены малые выступы 23, 24. Затем маховик 38 поворачивается в обратную сторону (фиг.3б - вторая стрелка) и толкатели 25, 26 опускаются на полосы а, в. Двигатель остается не отключенным от трансмиссии, следовательно, крутящий момент от ведущих колес автомобиля передается двигателю.

В момент начала торможения поршень 13 находился между ВМТ и НМТ и он двигался в сторону НМТ (фиг.8а, движение показано стрелкой и обозначено буквой v). Клапаны 39, 40 закрыты, так как толкатели находятся над полосами а-а (фиг. 3г, 4, где полоса а крайняя, поэтому колесо 20 незаштриховано), следовательно, под поршнем 13 идет сжатие (стрелки направлены вверх).

Через насос-форсунки 3 впрыскивается некоторое количество насыщенного пара в топку 2 (показано стрелками) - против движения поршня 13, вследствие чего, давление сжимаемого пара повысится быстрее и больше (фиг.8а, в - линия а'-б', в точке в' открывается клапан 40).

Не доходя поршнем до НМТ (-), малые выступы 23, 24 откроют клапаны 39, 40, под и над поршнем давление сравняется с атмосферным (способы открытия и закрытия клапанов 39, 40 изложено выше). Когда поршень 13 начнет двигаться в сторону ВМТ, через (-) клапана 39, 40 закроются, и повторится цикл.

В графике 8б над поршнем 7 идет процесс всасывания, так как клапаны 39, 52 закрыты, создается разряжение (линия а-б), тормозящее вращение ведущих колес (это в расчет не принято).

Для притормаживания автомобиля впрыск насыщенного пара прекращается, если этого недостаточно, повторяется вышеизложенный способ.

Высокоэффективность, надежность торможения предложенным двигателем дают возможность отказаться от сложной системы традиционных тормозов.

Предложенный двигатель будет работать самым эффективным, экономичным компрессором. Для чего, впрыск насыщенного пара насос-форсункой 3 необходимо производить только на поверхность топки 2, так как нижняя полость работает как двигатель, а верхняя - как компрессор. При движении поршня в сторону НМТ через обратный клапан 52 под разряжением на верхнюю полость поступает воздух, а с нижней - через клапан 40 выталкивается остаточный пар (линия а-б, фиг.7в). Перед движением поршня 13 в сторону ВМТ клапан 40 закрывается (изложено выше) и под давлением пара (линия а-б, фиг.7б), поступающего через паровые окна 10 (показано стрелкой), поршень 13 двигается в сторону ВМТ, сжимая воздух, находящийся на верхней полости. В расчетный момент клапан 39 открывается, пропуская сжатый воздух в ресивер (не показано) и процесс повторяется. Клапан 39 открывается и закрывается малым выступом 24 (как изложено в тормозном процессе). Сектор малого выступа 24 (фиг. 4в), предназначенного для клапана 39, в зависимости от долготы открытия во время выпуска сжатого воздуха может быть больше или меньше. Клапан 40 открывается толкателем 26, находясь под полосой г, где закреплен кольцевой выступ 21.

Предложенный двигатель будет работать самым эффективным, надежным, экономичным вакуум-насосом. Верхняя полость поршня 13 работает как вакуум-насос, а нижняя - как двигатель. При движении поршня 13 в сторону НМТ (показано стрелкой и обозначено буквой v) из замкнутого объема через обратный клапан 52 всасываются газы (а, б, фиг.8б), через клапан 39 выталкиваются. Клапан 39 открывается и закрывается как в тормозном процессе - малыми выступами 23 или 24. Клапан 40 открывается толкателем 26, находясь над полосой г, где закреплен кольцевой выступ 21.

Предложенный двигатель благодаря колесам 20, выполненным с выступами 21, 22, 23, 24, будет работать как самый экономичный, мощный, при этом отмечены высокой производительностью компрессор с высоким давлением и вакуум-насос, создающий глубокий вакуум.

Сущность изобретения: топка размещена на боковой поверхности блока цилиндров. В распределительном механизме на валу закреплены шестерни, напротив цилиндров - профилированные диски, радиальная поверхность которых разделена на равные участки. На каждом втором и четвертом участках диска, считая от шестерни вала, выполнены кольцевые выступы, расположенные диаметрально противоположно на угле и с возможностью взаимодействия с торцом толкателей. Толкатели снабжены радиальными выступами с возможностью взаимодействия с торцами стержней клапанов. На двух нижних горизонтальных планках подвижной рамы выполнены отверстия, в которых размещены толкатели, пружины которых упираются в верхнюю планку рамы. Торцы нижней планки расположены в гнездах, закрепленных на картере двигателя. Кулачки кулачкового вала взаимодействуют с шляпкой толкателей, вал размещен в отверстиях вертикальных планок. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА, содержащий картер, блок цилиндров с поршнями, штоки которых кинематически связаны с коленчатым валом, распределитель и топку, отличающийся тем, что двигатель снабжен дополнительной топкой, размещенной на боковой поверхности блока цилиндров, и распределительным механизмом, в котором на распределительном валу закреплены шестерни, а напротив цилиндров - профилированные диски, радиальная поверхность каждого из которых разделена на равные участки, при этом на каждом втором и четвертом участках диска, считая от шестерни распределительного вала, выполнены кольцевые выступы, расположенные диаметрально противоположно на угле α и с возможностью взаимодействия с торцом толкателей, последние снабжены радиальными выступами с возможностью взаимодействия с торцами стержней клапанов, на двух нижних горизонтальных планках подвижной рамы выполнены отверстия, в которых размещены толкатели, причем пружины толкателей упираются в верхнюю планку рамы, а торцы нижней горизонтальной планки рамы расположены в гнездах, закрепленных на картере двигателя, при этом кулачки кулачкового вала взаимодействуют со шляпками толкателей, а вал размещен в отверстиях вертикальных планок рамы. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на первом и третьем участках каждого диска закреплены малые выступы, расположенные диаметрально противоположно на угле α , с возможностью взаимодействия с торцами толкателя, при этом последние выполнены с выступами, взаимодействующими со стержнями клапанов. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в верхней части цилиндра установлен всасывающий обратный клапан.