ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, конкретнее к двигателям внешнего сгорания, работоспособным при использовании различных видов топлива или низкопотенциального тепла отходящих газов тепловых двигателей.

Известен двигатель Стирлинга [1] реализующий рабочий цикл с внешним сгоранием топлива.

Этот двигатель характеризуется многотопливностью и достаточно высоким эффективным КПД, но конструктивно сложен, обладает большой удельной массой, содержит проблему надежного уплотнения между рабочим и вытеснительным объемами, требует весьма экзотических рабочих газов, в частности гелия.

Известен двигатель внешнего сгорания [2] содержащий цилиндры с поршнями, впускными и выпускными окнами, соединенными перепускным каналом с холодильником, причем цилиндры снабжены нагнетательными и наполнительными клапанами, соединенными между собой через нагреватель магистралью высокого давления.

Указанный двигатель, являясь наиболее близким к предлагаемому по конструктивному исполнению и принимаемый далее за прототип, также обладает всеми перечисленными выше недостатками.

Целью изобретения является устранение перечисленных выше недостатков двигателя.

Цель достигается тем, что двигатель снабжен обратимой турбиной-компрессором, установленной на входе перепускного канала.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема двигателя, осевой разрез; на фиг. 2 и 3 приведены варианты исполнения наполнительного клапана.

Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1, в котором расположены поршни 2, 3 со штоками 4, 5, образующие три рабочие камеры 6-8. В каждой камере установлены нагнетательные клапаны 9-11, соединенные с входом магистрали 12 высокого давления, наполнительные клапаны 13-15, соединенные с выходом магистрали 12, выпускные окна 16-18, соединенные посредством коллектора 19 с входом обратимой газовой турбины-компрессора 20, впускные окна 21-23, соединенные между собой каналом 24 и подключенные через ресивер 25 к выходу перепускного канала 26, вход которого соединен с выходом турбины-компрессора 20. На входе в турбину установлен регулируемый дроссель-заслонка 27, кинематически связанный с регулятором числа оборотов двигателя, например с центробежным регулятором (связь не изображена). Магистраль 12 высокого давления пропущена через нагреватель 28, в котором источником тепла являются выпускные газы в перепускном канале 26, и через нагреватель 29 с топливной горелкой 30. Перепускной канал 26 пропущен через нагреватель 28 (который по отношению к выпускным газам является холодильником) и через холодильник 31, в котором хладагентом являются, например, наружный воздух или забортная вода, подсоединенные к патрубкам 32, 33. Объем магистрали 12 высокого давления в несколько раз превышает объем сжатого газа в полости 7 в начале его вытеснения через клапаны 10 в магистраль. Управление клапанами 9-11, 13-15 может осуществляться обычным, широко известным устройством, например, от кулачкового вала посредством толкателей, коромысел, пружин и т.п. возможны более простые варианты, изображенные на фиг. 2, 3. Наполнительный клапан на фиг. 2 обеспечивает функции клапанов 13, 15 и содержит тарелку 34, выступающую внутрь камеры с возможностью упора в поршень в "верхней мертвой точке" (ВМТ), стержень 35 через отверстие с уплотнением 36 пропущен наружу в кожух 37, сообщенный с внешней атмосферой отверстием 38, стержень поджат упругим элементом в виде пружины 39. Наполнительные клапаны 14, расположенные в средней камере 7, устроены в основном аналогично, отличие заключается в исполнении упоров между клапаном и поршнями; на клапане выполнены наклонные (например, конические) поверхности 40, сопряженные в ВМТ с соответствующими наклонными фасками 41 на кромках днищ поршней. Нагнетательные клапаны 9, 11 целесообразно выполнить в виде самодействующих обратных клапанов, конструктивно близких к изображенному на фиг. 2, без отверстий 38 и уплотнений 36, т.е. с полостью кожуха 37, герметичной по отношению к внешней среде и соединенной через зазор между стержнем и корпусом (или через дополнительное отверстие в корпусе) с магистралью 12 высокого давления.

Возможны варианты исполнения двигателя, например, в виде цилиндра с одним поршнем с приводом от кривошипно-шатунного механизма.

В качестве первой секции нагревателя может использоваться рубашка охлаждения другого двигателя внутреннего сгорания, выпускные газы которого могут служить источником тепла в нагревателе 29. Рабочим теплом в двигателе могут быть различные газы: воздух, азот, углекислый газ, гелий, водород, легкокипящие жидкости, например пропан, n-бутан и др. Возможен также вариант двигателя, в котором нагреватели 29 расположены внутри рабочих цилиндров, причем каналы нагревателей соединены непосредственно с рабочей полостью цилиндра, т. е. без клапанов 9-11, 13-15 (подобно двигателю Стирлинга). Такой вариант конструктивно проще и компактнее, но для обеспечения приемлемой быстроходности необходимо использование легких газов (гелий, водород).

Двигатель действует следующим образом. При взаимно противоположном встречном движении оппозитных поршней (их привод не изображен) осуществляется сжатие рабочего газа в камере 7 и его вытеснение через клапаны 10 в магистраль 12 высокого давления, где газ, проходя через нагреватели 28, 29, подогревается, давление его возрастает, и при обратном ходе поршней он через наполнительный клапан 14 поступает с более высокими параметрами в камеру 7, где, расширяясь, совершает полезную работу.

Смежные камеры 6 и 8 в фазе действия, изображенной на фиг. 1, имеют максимальный объем (положение в "нижней мертвой точке"), в этот момент осуществляется их продувка, в начальный период которой происходит свободный выпуск газа под значительным избыточным давлением через окна 16, 18 в газовую турбину 20 и далее в перепускной канал 26. В последующей фазе продувки турбина действует в качестве центробежного компрессора, напором которого осуществляется продувка рабочих объемов камер с полной сменой отработавшего газа на относительно холодный газ, прошедший холодильники 28, 31. Устранение избыточности продувки на малой частоте вращения вала двигателя осуществляется дроссельной заслонкой 27, которая на малых оборотах соответственно уменьшает проходное сечение на входе в турбину-компрессор. После продувки совершаются процессы сжатия в камерах 6, 8 и вытеснение сжатого газа через клапаны 9, 11 в магистраль 12 высокого давления, наполнение камер через клапаны 13, 15, расширение и продувка через окна 21, 16, 23, 18.

Действие варианта наполнительного клапана, изображенного на фиг. 2, осуществляется следующим образом. Поршень 2 в положении ВМТ нажимает на тарелку 34 клапана и смещает ее на величину порядка 0,5-1 мм, через зазор между тарелкой и седлом клапана газ перетекает в камеру, давление по обоим торцам тарелки выравнивается и, воздействуя на площадь поперечного сечения стержня 35, сжимает пружину 39 и полностью открывает клапан, происходит наполнение рабочей камеры газом с высоким давлением и температурой, после чего давление в магистрали 12 уменьшается, пружина 39 закрывает клапан, в камере совершается процесс расширения, близкий к адиабате. Клапан на фиг. 3 действует аналогично, при этом отжатие тарелки клапана обеспечено фасками 41. Действие нагнетательных обратных клапанов происходит обычным образом от разности давления в рабочих камерах и магистрали 12.

Как и в упомянутом двигателе Стирлинга, воздух после выхода из нагревателя 29 может быть использован для подогрева воздуха, поступающего к горелке 30.

Сущность изобретения: двигатель внешнего сгорания содержит цилиндры с поршнями и продувочными окнами, соединенными перепускным каналом с установленной на его входе обратимой турбиной-компрессором, холодильник, последовательно соединенный с перепускным каналом, магистраль высокого давления, снабженную нагревателем, нагнетательными и наполнительными клапанами. Рассмотрены варианты конструкций с оппозитными поршнями и с различным исполнением клапанов. 7 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндры с поршнями, впускными и выпускными окнами, соединенными перепускным каналом с холодильником, причем цилиндры снабжены нагнетательными и наполнительными клапанами, соединенными между собой через нагреватель магистралью высокого давления, отличающийся тем, что он снабжен обратимой турбиной-компрессором, установленной на входе перепускного канала. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он содержит цилиндры с парами оппозитных поршней, с тремя рядами впускных и тремя рядами выпускных окон, с клапанами, расположенными на концах и в средней части цилиндров. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что часть магистрали высокого давления расположена в перепускном канале. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что нагнетательный клапан выполнен в виде обратного клапана. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что наполнительный клапан выполнен в виде обратного клапана, стержень которого пропущен через стенку магистрали высокого давления наружу, тарелка клапана снабжена упором, сопряженным с поршнем в верхней мертвой точке. 6. Двигатель по пп.1, 2 и 5, отличающийся тем, что на тарелке клапана, расположенного в средней части цилиндра, выполнены наклонные поверхности, сопряженные с наклонными фасками на оппозитных поршнях. 7. Двигатель по пп.1, 2, 5 и 6, отличающийся тем, что наклонные поверхности клапана выполнены коническими. 8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что нагреватели расположены внутри рабочих цилиндров, причем их каналы соединены с полостями цилиндров непосредственно.