ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА Российский патент 1995 года по МПК F02G1/43 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателям, работающим при расширении и сжатии массы рабочего тела, которая нагревается и охлаждается в одной из нескольких постоянно сообщающихся камер переменного объема, например двигатели, работающие по циклу Стирлинга, и может быть использовано в двигателях с внешним подводом тепла.

Известен двигатель с внешним подводом тепла, содержащий источник тепла, теплообменники, по меньшей мере две пары холодных камер сжатия изменяемого объема (камеры сжатия) и горячих камер расширения изменяемого объема (камеры расширения), крышки к указанным камерам, камеры охлаждения постоянного объема (камеры охлаждения) и горячие камеры постоянного объема (нагреватели), соединенные с камерами сжатия и камерами расширения каналами с установленными в них трехходовыми газораспределительными управляемыми клапанами и автоматическими самодействующими клапанами и предназначенными для перетока рабочего тела.

Недостатками известной конструкции двигателя являются:
наличие излишне большого суммарного объема (внутреннего) каналов, соединяющих камеры расширения и камеры сжатия, служащих для охлаждения рабочего тела, что снижает работу цикла и мощность двигателя;
наличие теплообменников регенеративного типа в ряде технических применений двигателей, особенно в стационарных энергоустановках и гелиоустановках с постоянным потоком тепла, ухудшает массово-габаритные показатели, усложняет двигатель;
в восьми и более цилиндровых машинах наличие двух независимых, горячих камер неизменяемого объема ухудшает массово-габаритные показатели и снижает работу цикла, если не ставится цель иметь резервный горячий контур.

Цель изобретения расширение области применения за счет увеличения работы цикла и скорости его протекания, улучшение массово-габаритных показателей, а также повышение мощности.

С этой целью в предлагаемом двигателе камеры охлаждения постоянного объема попарно объединены из условия образования единой полости охлаждения и соединены каналами с холодными камерами сжатия изменяемого объема и горячими камерами расширения изменяемого объема с возможностью обеспечения опережения по фазе момента начала наполнения камер сжатия по отношению к моменту подключения камер расширения к соединяющей их единой полости охлаждения.

Горячие камеры постоянного объема (нагреватели) могут быть связаны между собой из условия образования объединенной общей камеры, при этом для обеспечения стабилизации крутящего момента двигателя в режиме частичных нагрузок внутренний объем объединенной камеры должен значительно превышать суммарный объем камеры сжатия и расширения.

Каналы, соединяющие камеры охлаждения постоянного объема с горячими камерами расширения с изменяемым объемом посредством трехходовых газораспределительных управляемых клапанов, могут быть объединены с каналами, соединяющими камеры охлаждения постоянного объема с холодными камерами сжатия с изменяемым объемом посредством автоматических самодействующих клапанов в один объединенный канал, соединяющий горячие камеры постоянного объема с клапанами через теплообменники.

В результате проведенного патентного поиска аналог, характеризующийся признаками, идентичными совокупности существенных признаков предполагаемого изобретения, не обнаружен.

Результаты исследований особенностей протекания процессов цикла в предложенном двигателе в неравновесных условиях подтверждают эффективность вносимых изменений в конструкцию, увеличение работы цикла и мощности в целом ряде случаев.

На фиг. 1 и 2 изображен предлагаемый двигатель; на фиг. 3 упрощенный четырехкамерный вариант двигателя с теплообменниками рекуперативного типа и с объединенным каналом контура охлаждения.

Двигатель содержит выполненное, например, в виде сильфонов по меньшей мере две пары камер 1-4 расширения и камер 5-8 сжатия, причем крышки камер сжатия и расширения, работающих в противофазе, выполнены за одно целое.

Двигатель содержит также теплообменники 9-12 рекуперативного типа, соединенные с горячими камерами 13 постоянного объема (нагревателями), к которым подключен источник 14 тепла. Нагреватели 13 связаны между собой и образуют одну объединенную общую камеру. Камеры 15-18 охлаждения постоянного объема, где охлаждается рабочее тело, также объединены попарно из условия образования единой полости охлаждения. Нагреватели 13 и камеры 15-18 охлаждения соединены с камерами 5-8 сжатия и камерами 1-4 расширения каналами 19-22, предназначенными для перетока рабочего тела. В каналах 19-22 установлены трехходовые газораспределительные клапаны управляемые 23-26 и автоматические самодействующие клапаны 27. Для управления работой клапанов 23-26 служат кулачки 28. Двигатель снабжен рычажно-сферическим механизмом 29 преобразования расширения рабочего тела в камерах 1-4 расширения во вращение вала двигателя. Жесткая тяга 30 служит для соединения и передачи усилия объединенным крышкам камер, работающих в противофазе.

Двигатель работает следующим образом.

В исходном положении (фиг. 1) сильфон-камера 1 расширения разжимается, сильфон-камера 3 расширения сжимается, сильфон-камера 2 разжата, сильфон-камера 4 сжата. Теплообменник 9 отбирает тепло у части рабочего тела, расширяющегося в полость камеры 1 расширения, теплообменник 11 передает тепло части рабочего тела, поступающей из камеры 7 сжатия, сжимающейся совместно с камерой 3 расширения, через трехходовой газораспределительный клапан 25, выталкивая содержащийся в ней газ в полость охлаждения, образованную камерами 15 и 17 охлаждения. Клапан 26 переводится в положение, позволяющее рабочему телу из горячей камеры постоянного объема 13 начать расширяться в камеру 4 расширения, а клапану 24 выталкивать рабочее тело из камеры 2 расширения в полость охлаждения, образованную камерами 16 и 18 охлаждения. Полость камеры 5 сжатия сильфона, разжимающегося синхронно с сильфоном-камерой 1 расширения, создает предварительное разрежение в полости охлаждения, образованной камерами 16 и 18 охлаждения, необходимое для осуществления последующего цикла.

Расширяющийся газ из горячих камер 13 постоянного объема через теплообменник 9 и качающуюся шайбу рычажно-сферического механизма 29 преобразователя сжимает газ в камере 7 сжатия, выталкивает его из камеры 3 расширения и передает на вал двигателя вращающий момент и полезную мощность через жесткую тягу 30, объединяющую крышки камер, работающих в противофазе. Такое объединение и расположение крышек камер сделано с расчетом, чтобы вспомогательные усилия, обеспечивающие осуществление процессов цикла, передавались через жесткий элемент и не нарушали опоры и шарниры рычажно-сферического механизма преобразователя, а на вал двигателя передавалась бы только полезная мощность. В целом ряде применений это позволяет снизить габариты устройства, упростить привод трехходовых клапанов 23-26 одним кулачком 28 через два роликовых толкатели, фазы движения у которых смещены на 90^о.

В упрощенном четырехкамерном варианте (фиг. 3) через опоры передаются все как полезные, результирующие, так и вспомогательные рабочие усилия.

Клапаны 24 и 26 работают в противофазе и переключаются раньше или позже по фазе на 90^о по отношению к клапанам 23 и 25, также работающим в противофазе.

Последовательность процессов цикла в камерах двигателя идет против часовой стрелки в плоскости чертежа, представленного на фиг. 1.

Теплообменники 9-12 располагаются в наиболее удаленных от точки объединения местах горячих камер 13 постоянного объема для предотвращения перетекания непрогретого газа в смежный теплообменник (предотвращения теплового короткого замыкания).

Отношение величины внутреннего объема объединенной общей камеры 13 к суммарному внутреннему объему камер сжатия и расширения необходимо увеличивать, одновременно увеличивая площадь поверхности стенок и теплопередачу к рабочему телу, а также увеличивать нагрев газа, поступающего из теплообменников в горячую камеру 13 постоянного объема. Все это повышает эффективность теплообмена, увеличивает скорость протекания процессов цикла и мощность двигателя.

Таким образом, если в прототипе теплообмен происходил примерно на половине времени рабочего цикла двигателя, то в предлагаемом техническом решении он идет практически за все это время, причем сжиматься и расширяться в горячих и холодных камерах может относительно меньшая часть газа.

В сравнении с известной предлагаемая конструкция в целом ряде применений позволяет снизить габариты, увеличить работу цикла и мощность двигателя.

Уменьшение объемов камер расширения и сжатия позволяет сократить габариты преобразователя давления (механической части двигателя), приближать или встраивать его в движитель.

Относительно больший объем газа по сравнению с прототипом в горячей камере постоянного объема в режимах частичных нагрузок при малом числе оборотов двигателя в большей степени, чем в прототипе, влияет на стабильность крутящего момента, позволяет уменьшить пределы его регулирования вне двигателя.

В высокофоpсиpованных по давлению газа и температуре двигателях возможно применение вместо сильфонных камер переменного объема обычных поршневых с пластиковыми (полиамидными) уплотнениями, позволяющими снизить трение и работать в диапазоне повышенных остаточных температур газа из-за неполной регенерации.

Основные отличия предлагаемого технического решения следующие:
все полости, где нагревается газ, объединены;
при увеличении объема этих полостей работа двигателя улучшается;
наличие преобразователя давления газа во вращение вала, не подверженного воздействию максимальных температур цикла;
значительно снижено влияние относительно вредного пространства, которое может быть компенсировано увеличением объема полости нагрева;
не играет никакой роли тип теплообменника регенеративный или рекуперативный;
как правило, нет необходимости в жидкостном промежуточном теплоносителе для обеспечения нижней температуры цикла;
для получения равной с ДВС и Стирлингом работы цикла сжимать и расширять можно значительно меньшую долю рабочего тела, что снижает литраж и габариты преобразователя;
двух, четырех, восьмицилиндровые варианты конструкции двигателя представляют собой различные по особенностям протекания цикла устройства. Восьмицилиндровый вариант не может быть получен из двухцилиндрового простым суммированием. Это машина со своим собственным циклом.

Использование: энергетика и транспорт. Сущность изобретения: двигатель содержит источник 14 тепла, теплообменники 9 12, холодные камеры 5 8 сжатия, горячие камеры 1 4 расширения, камеры охлаждения постоянного объема и горячие камеры 13 постоянного объема, соединенные с камерами сжатия и камерами расширения каналами с клапанами. Камеры охлаждения постоянного объема попарно соединены с целью образования единой полости охлаждения и соединены каналами с холодными камерами сжатия и горячими камерами расширения. Горячие камеры постоянного объема также связаны между собой с целью образования объединенной общей камеры, а внутренний объем объединенной общей камеры выбран большим суммарного объема внутренней холодной камеры сжатия и горячей камеры расширения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА, содержащий источник тепла, теплообменники, холодные камеры сжатия с изменяемым объемом, горячие камеры расширения с изменяемым объемом, крышки к упомянутым камерам, камеры охлаждения постоянного объема и горячие камеры постоянного объема, соединенные с холодными камерами сжатия с изменяемым объемом и горячими камерами расширения с изменяемым объемом каналами с установленными в них трехходовыми газовыми распределительными управляемыми клапанами и самодействующими клапанами и предназначенными для перетока рабочего тела, отличающийся тем, что камеры охлаждения постоянного объема попарно объединены из условия образования единой полости охлаждения и соединены каналами с холодными камерами сжатия и горячими камерами расширения с изменяемым объемом с возможностью обеспечения опережения по фазе момента начала наполнения холодильных камер сжатия с изменяемым объемом по отношению к моменту подключения горячих камер расширения с изменяемым объемом к соединяющей их единой полости охлаждения. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что горячие камеры постоянного объема связаны между собой из условия образования объединенной общей камеры, при этом для обеспечения стабилизации крутящего момента двигателя в режиме частичных нагрузок, внутренний объем объединенной общей камеры выбирается большим суммарного внутреннего объема холодной камеры сжатия с изменяемым объемом и горячей камеры расширения с изменяемым объемом. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что крышки камер сжатия с изменяемым объемом и расширения, работающих в противофазе, выполнены за одно целое. 4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что каналы, соединяющие камеры охлаждения постоянного объема с горячими камерами расширения с изменяемым объемом посредством трехходовых газораспределительных управляемых клапанов, объединены с каналами, соединяющими камеры охлаждения постоянного объема с холодными камерами сжатия с изменяемым объемом посредством самодействующих клапанов в один объединенный клапан соединяющий горячие камеры постоянного объема с клапанами через теплообменники.