МОТОР-РЕКУПЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к тепловым поршневым двигателям, в частности к двигателям Стирлинга, предназначенным для использования в качестве энергетической установки транспортного средства с рекуперативным приводом, в особенности, для городского автобуса.

Известна установка для транспортных средств, содержащая поршневой двигатель, в стационарном блоке которого выполнены цилиндры тепловой системы, разделенные поршнями на холодную и горячую полости, соединенные между собой через нагреватели и охладители, а также обратимую расширительную машину объемного типа, связанную с тепловой системой.

Недостатками указанной установки являются высокие показатели массы на единицу мощности, а также значительная сложность конструкции и трудность использования в рекуперативном приводе.

Упомянутые недостатки частично устранены в двигателе с внешним подводом теплоты, снабженном подвижным блоком, в котором выполнены рабочие цилиндры тепловой системы с размещенными в них поршнями, перемещающимися поступательно в цилиндрах. При этом перемещение каждого поршня в пределах рабочего цикла задается механизмом тактообразования, выполненным в виде охватывающего подвижный блок профильного кольца, с которым контактируют поршни (или штоки) через роликовые толкатели. Такая схема двигателя Стирлинга позволяет обойтись без коленчатого вала, что резко упрощает известную конструкцию. Однако в этом случае возникают значительные нагрузки в системе упомянутого механизма тактообразования.

Устранение данного технического противоречия и является целью предлагаемого изобретения, в соответствии с которым тепловая (термодинамическая) система двигателя оснащена второй, дополнительной системой, аналогичной основной, причем рабочие цилиндры обеих систем расположены в подвижном блоке и обращены горячими полостями к центральной части подвижного блока, а штоки каждой пары с закрепленными на них поршнями кинематически связаны между собой равноплечным рычажным механизмом для осуществления равных перемещений во встречном направлении. При этом в каждом рабочем цилиндре расположен введенный поршневой гидронасос, полость нагнетания которого соединена с соответствующим тангенциальным соплом реактивной гидротурбины, а в полости упомянутого сопла установлена игла переменного по длине сечения, оснащенная приводом ее продольных перемещений.

Подобное выполнение, в частности попарное расположение цилиндров в подвижном блоке и их кинематическая взаимосвязь, позволяет образовать замкнутую систему сил в системе, что обеспечивает резкое снижение внешних сил (т.е. сил реакции профильного кольца на роликовые толкатели), а также способствует исключению общего динамического дисбаланса двигателя. При этом крутящий момент образуется не за счет сил реакции профильного кольца на толкатели (как это имеет место в прототипе), а за счет реактивной силы вытекающей из сопла струи жидкости. Регулирование двигателя стало возможным осуществлять как изменением подачи топлива в камеру сгорания, так и изменением расхода жидкости через сопло (посредством введения иглы в проходное сечение последнего).

Данная конструкция органично объединяет тепловую энергетическую установку с рекуперативным приводом, позволяя использовать в качестве инерционного накопителя (маховика) массивный блок цилиндров рекуперативного двигателя Стирлинга. Благодаря этому отпадает необходимость в системе регулирования среднего давления цикла двигателя Стирлинга и одновременно существенно упрощается кинематика рекуперативного привода в целом.

На фиг. 1 изображено сечение А-А блока цилиндров на фиг. 2; на фиг. 2 поперечное сечение Б-Б мотора-рекуператора на фиг. 1; на фиг. 3 сечение В-В блока цилиндров на фиг. 2; на фиг. 4 сечение Г-Г, выполненное по соплам реактивной гидротуpбины на фиг. 3.

Мотор-рекуператор содержит установленный с возможностью вращения блок цилиндров 1 (фиг. 1), в центральной части которого размещена нагревательная головка, выполненная в виде цилиндрической керамической вставки 2 (фиг. 2). Поршни 3 и 4 (фиг. 1), размещенные соответственно в цилиндрах 5 и 6, расположены в одной плоскости попарно симметрично осям. Гильзы цилиндров 5 и 6 размещены в расточках блока 1 и сопрягаются с гнездами 7 и 8, выполненными в керамической вставке 2 (фиг. 2). Цилиндры 5 и 6 соответственно образуют две четырехцилиндровые термодинамические системы, в каждой из которых согласно схеме двойного действия горячая полость 9(10) первого цилиндра соединена посредством циркуляционной системы, включающей нагревательные каналы 11 (фиг. 2) и 12 (на фиг. 1 показано схематично), выполненные в керамической вставке 2 (фиг. 2), регенератор 13(14) (фиг. 1), холодильник 15(16), а также соединительные каналы 17(18), с холодной полостью 19(20) второго цилиндра и т. д. Система тактообразования состоит из установленного с возможностью вращения тактообразующего кольца 21 (фиг. 2) с малой 22 и большой 23 эксцентричными дорожками качения, каждая из которых представляет полуокружность (на фиг. 1 и 3 они показаны условно). С последними сопрягаются роликовые толкатели 24 (фиг. 1), смонтированные на штоках 25 поршней 3. На тех же на штоках 25 и на штоках 26 поршней 4 закреплены поршни 27 и 28 гидронасосов, полости нагнетания 29 и 30 которых соответственно соединены каналами 31(32) (фиг. 4), выполненными во фланцах 33(34), с тангенциальными соплами 35(36) реактивной гидротурбины. Для возможной регулировки проходного сечения сопла 35(36) служит игла 37, положение которой определяет автоматическое выдвижное устройство, состоящее из поршня 38, размещенного в цилиндре 39(40), а также пружины 41, установленной на хвостовике 42. Последний сопрягается с цилиндром 43(44), который выполнен в крышке 45. Полость цилиндра 43(44) соединена посредством канала 46, выполненного в игле 37, с полостью сопла 35(36). Цилиндры 39 и 40 соединены с радиальными каналами 47 и 48 (фиг. 1), которые сообщаются с заборным кольцевым отверстием 49 (фиг. 2), выполненным на выходном валу 50, и соединяют сливной бак 51 с полостями нагнетания 29 и 30 (фиг. 1) гидронасосов. На входе в последние установлены обратные клапаны 52. Бак 51 (фиг. 2) служит собирающей емкостью для турбожидкости 53 при возможном отбросе последней из сопл 35 и 36 (фиг. 4) через окна 54 (фиг. 2), выполненные в ступицах 55 и 56, на стенки заборных щелей 57 и 58 кожуха 59. Подпоршневые полости 60 (фиг. 1) и 61 гидронасосов выполняют функцию компрессоров, служащих для возможной компенсации утечек рабочего тела (воздуха). Они соединены с холодными полостями 19 и 20 цилиндров 5 и 6 посредством обратных клапанов 62.

Блок цилиндров 1 смонтирован в радиальных опорах 63 и 64 (фиг. 2). Он кинематически связан с тактообразующим кольцом 21, установленным на радиальных опорах 65 и 66, посредством планетарной передачи, включающей зубчатый венец внутреннего зацепления 67, закрепленный на ступице 55, сателлиты 68, установленные на радиальных опорах 69, которые смонтированы на блоке 1 (фиг. 1), и неподвижное центральное колесо 70. Поршни 3 и 4 попарно кинематически связаны посредством реечной передачи, состоящей из реек 71 и 72 (фиг. 3), закрепленных на штоках 25 и 26 (фиг. 1), и шестерни 73 (фиг. 3), смонтированной на блоке 1 (фиг. 1).

Глухая часть гнезд 7 и 8 имеет куполообразную форму, а стык между ними и гильзами цилиндров 5 и 6 уплотнен при помощи полых металлических колец 74. Керамическая вставка 2 (фиг. 2) сопрягается с расточкой 75 блока 1 (фиг. 2) посредством конического пояска 76 (фиг. 2), при этом между цилиндрической и торцовой поверхностями вставки 2 и расточкой 75 предусмотрен теплоизолирующий зазор 77. Вставка 2 зафиксирована при помощи резьбового кольца 78, причем стык дополнительно уплотнен металлической манжетой 79. Каждый из регенераторов 13 и 14 сообщается с системой нагревательных каналов 11 и 12 (на фиг. 1 показано схематично) посредством перепускной трубки 80. Стык между последней и керамической вставкой 2 уплотнен при помощи полых металлических колец 81, зафиксированных проставком 82. В керамической вставке 2 выполнены сквозные продольные каналы 83, служащие для возможного протекания высокотемпературных продуктов сгорания и обеспечивающие необходимую площадь теплообмена. Уплотнение поршней 3 и 4 обеспечивается при помощи колец 84.

Система сжигания топлива состоит из камеры сгорания 85, топливной форсунки 86, воздушного центробежного нагнетателя, выполненного в виде радиальных лопаток 87, закрепленных с наружной стороны ступицы 55, воздухозаборника 88, предварительного подогревателя воздуха 89, выполненного из керамики и снабженного воздуховодом 90, завихрителя 91, а также выхлопного канала 92. Возможному проникновению высокотемпературных газов из камеры сгорания 85 к конструкционным элементам мотора-рекуператора препятствует лабиринтное уплотнение 93.

Мотор-рекуператор работает следующим образом.

Запуск осуществляется от стартера путем раскручивания блока цилиндров 1 (фиг. 1), смонтированного в радиальных опорах 63 и 64 (фиг. 2), и тактообразующего кольца 21, установленного на радиальных опорах 65 и 66, до рабочей угловой скорости. Одновременно осуществляется впрыск топлива через форсунку 86 и его непрерывное сжигание в камере сгорания 85. Вследствие разности угловых скоростей вращения блока цилиндров 1 (фиг. 1) ω₁ и тактообразующего кольца 21 (фиг. 2) ω₂, что достигается посредством планетарной передачи, включающей венец внутреннего зацепления 67, сателлиты 68 и неподвижное центральное колесо 70, поршни 3 (фиг. 1), кинематически связанные с эксцентричной дорожкой качения 22 и 23 (фиг. 2) при помощи роликовых толкателей 24 (фиг. 1), начинают совершать тактовые перемещения с частотой
n_т(ω₂-ω₁). (1)
Тактовые перемещения совершают также поршни 4, попарно кинематически связанные с поршнями 3 посредством реечной передачи, состоящей из реек 71 и 72 (фиг. 3), закрепленных на штоках 25 и 26 (фиг.1), и шестерни 73 (фиг. 3). В процессе возвратно-поступательных перемещений поршней 3(4) (фиг. 1) рабочее тело (воздух) вытесняется из горячей полости 9(10) первого цилиндра 5(6) и через систему нагревательных каналов 11 (фиг. 2) (12, на фиг. 1 показаны схематично), выполненных в керамической вставке 2 (фиг. 2), и далее по перепускной трубке 80, через регенератор 13 (фиг. 2) (14) (фиг. 1), холодильник 15(16) и соединительный канал 17(18) поступает в холодную полость 19(20) второго цилиндра 5(6), а затем вытесняется обратно в горячую полость 9(10). Сила, воздействующая на поршень 3(4),
F S_p(P_г Р_х), (2) где S_p площадь рабочего поршня 3(4);
Р_г давление в горячей полости цилиндра 5(6);
Р_х давление в холодной полости цилиндра 5(6).

Сила F изменяется по закону, близкому к синусоидальному, причем ее направление совпадает с направлением движения поршня 3(4). Так как поршни 3 и 4 попарно кинематически связаны посредством упомянутой реечной передачи, их тактовые перемещения осуществляются в противофазах. При этом центробежные силы инерции, приложенные к поршням 3 и 4, взаимно уравновешиваются. Равнодействующая, приложенная к системе поршней 3 и 4
N I F₃ I + I F₄ I, (3) где F₃ сила воздействующая на поршень 3;
F₄ сила воздействующая на поршень 4.

В процессе возвратно-поступательных перемещений поршней 27(28) гидронасоса, закрепленный на общих штоках 25(26) с поршнями 3(4), турбожидкость 53 поступает под действием центробежной силы из сливного бака 51 (фиг. 2), через заборное отверстие 49, по радиальным каналам 47(48) (фиг. 1), через систему обратных клапанов 52 в полости нагнетания 29(30) гидронасоса, и затем на участке рабочего хода выбрасывается под давлением через тангенциальные сопла 35(36) (фиг. 4) реактивной турбины, что и создает необходимый крутящий момент на выходном валу 50 (фиг. 2). Давление в полости нагнетания 29(30) (фиг. 1) гидронасоса
P_н + (4) где V окружная скорость сопл 35(36) (фиг. 4) реактивной гидротурбины;
ρ плотность турбожидкости 53 (фиг. 1);
S_г площадь поршня 27(28) гидронасоса.

Равнодействующая N изменяется по строго синусоидальному закону, причем колебания величины Р_н не превышают 30-40% от максимального значения на тактовом углу в 90-120^о. На этом участке роликовые толкатели 24 не контактируют с эксцентричной дорожкой качения 22 и 23 (фиг. 2), т.е. мотор-рекуператор работает в режиме свободнопоршневого двигателя Стирлинга. При этом в кинематическую энергию реактивной струи турбожидкости 53 (фиг. 1) преобразуется от 75 до 85% работы, которую совершают поршни 3(4) в процессе перемещения из верхней в нижнюю мертвую точку. Среднее давление цикла (среднее значение равнодействующей N_ср) у мотора-рекуператора постоянно во всем диапазоне частого вращения. В то же время давление в полости нагнетания 29(30) гидронасоса
P_н, (5) где W скорость истечения турбожидкости 53. В свою очередь
W u, (6) где S_R площадь проходного сечения сопла 35(36) (фиг. 4);
u скорость поршня 27(28) (фиг. 1) гидронасоса.

Приравняв выражения 4 и 5, получим
S_R=u·Sv²+ . (7) Таким образом
S_R f( ω₁).

Регулирование площади проходного сечения сопла 35(36) (фиг. 4) S_Rосуществляется автоматически посредством гидравлического центробежного регулятора, размещенного во фланце 33 (34) (фиг. 1).

При работе мотора-рекуператора в режиме постоянной минимальной мощности игла 37 выдвинута влево до упора. При этом площадь проходного сечения сопла 35(36) S_R минимальна. При повышении частоты вращения блока цилиндров 1 (фиг. 1) (например, в режиме рекуперативного торможения) или вследствие увеличения тепловой мощности возрастает центробежное давление Р_ц в полостях гидроцилиндров 39(40), соединенных с радиальными каналами 47(48) (фиг. 1)
P_ц. (9)
В результате пружина 41 (фиг. 4), имеющая нелинейную рабочую характеристику сдеформируется, уравновесив давление на поршень 38, и игла 37 отойдет вправо, увеличив таким образом площадь проходного сечения сопла 35(36) S_R. Чтобы исключить воздействие на пружину 41 колебаний давления Р_н в полости нагнетания 29(30) (фиг. 1) гидронасоса, полость сопла 35(36) (фиг. 4) соединена при помощи канала 46, выполненного в игле 37, с цилиндром 43(44), с которым сопрягается хвостовик 42 иглы 37. Благодаря этому давление в полостях 35(36) и 43(44) взаимно уравновешивается.

Зависимость (8) изменения площади проходного сечения сопла 35(36) (фиг. 4) S_R от угловой скорости ω₁ блока цилиндров 1 (фиг. 1) позволяет выдерживать прямую пропорцию между частотой тактообразования n_т и средней скоростью u_ср поршней 3(4) на тактовом угле рабочего хода, где работа осуществляется в спободнопоршневом режиме. При этом во всем диапазоне частот вращения блока цилиндров 1 обеспечивается необходимое перемещение рабочих поршней 3(4) по закону, близкому к синусоидальному.

Благодаря редукции тактообразования, частота перемещений поршней 3(4) не превышает 6-7 двойных ходов в секунду. Это позволяет использовать в качестве рабочего тела воздух, что упрощает систему уплотнений. Кроме этого, мотор-рекуператор оснащен компрессором для компенсации утечек рабочего тела (воздуха). При перемещении поршней 3(4) из нижней мертвой точки в верхнюю воздух из подпоршневой полости 60(61) гидронасоса периодически вытесняется через обратный клапан 62 в холодную полость 19(20) цилиндра 5(6), что обеспечивает постоянное значение среднего давления цикла.

Конструкция системы охлаждения мотора-рекуператора предусматривает регенерацию тепла, отводимого из холодильников 15(16). После прохождения через холодильники 15(16) турбожидкость 53 выбрасывается под давлением из сопл 35(36) (фиг. 4) сквозь окна 54 (фиг. 2), выполненные в ступицах 55 и 56, на стенки заборных щелей 57 и 58 кожуха 59. При этом высокоскоростная струя турбожидкости 53 (фиг. 1) пересекает поток воздуха, который поступает из воздухозаборника 88 (фиг. 2) посредством центробежного нагнетателя 87, и проходит через зазор между кожухом 59 и тактообразующим кольцом 21. Происходит открытый теплообмен, в процессе которого тепло, отобранное у рабочего тела и саккумулированное в турбожидкости 53 (фиг. 1), переходит к воздуху, поступающему по воздуховоду 90 (фиг. 2) в предварительный подогреватель 89 и затем в камеру сгорания 85. Благодаря этому частично исключаются тепловые потери, связанные с охлаждением мотора-рекуператора и повышается КПД последнего.

Нагревательная головка мотора-рекуператора представляет собой сменную керамическую вставку 2. На цилиндрической поверхности вставки 2 выполнены гнезда 7(8) (фиг. 1), с которыми сопрягаются гильзы цилиндров 5(6). Циркуляция рабочего тела (воздуха) происходит по нагревательным каналам 11 (фиг. 2) (на фиг. 1 показаны схематично), имеющим выход в куполообразной части гнезд 7(8).

Процесс передачи тепла к керамической вставке 2 (фиг. 2) осуществляется при непрерывном протекании высокотемпературных продуктов сгорания по продольным сквозным каналам 83, после чего отработанные газы проходят через предварительный подогреватель воздуха 89 и выбрасываются в атмосферу из выхлопного канала 92.

Таким образом, мотор-рекуператор представляет собой хорошо сбалансированный восьмицилиндровый радиально-поршневой двигатель Стирлинга, работающий в корректируемом свободнопоршневом режиме. Существенное снижение нагрузок на подшипники, использование в качестве рабочего тела воздуха, отсутствие системы регулирования среднего давления цикла и применение сменной, нагревательной головки, выполненной из керамики, присущих двигателям Стирлинга известной конструкции. Благодаря этому мотор-рекуператор является надежным высокоэкономичным источником механической энергии и безопасным инерционным накопителем для рекуперативного привода городского автотранспорта.

Использование: мотор-рекуператор предназначен для использования в рекуперативном приводе транспортного средства, в частности городского автобуса. Сущность изобретения: мотор-рекуператор содержит блок цилиндров, установленный с возможностью вращения. В центральной части блока размещена сменная керамическая нагревательная головка 2. Рабочие поршни расположены в одной плоскости попарно симметрично осям. Они кинематически связаны между собой при помощи реечной передачи, включающей рейки 71 (72), закрепленные на штоках, и шестерню. Роликовые толкатели, смонтированные на штоках, сопрягаются с эксцентричными дорожками качения тактообразующего кольца 21. Последние кинематически связаны с блоком цилиндров посредством планетарной передачи. Состоящей из зубчатого венца внутреннего зацепления 67, сателлитов 68 и неподвижного центрального колеса 70. На штоках закреплены поршни гидронасоса, полости нагнетания которого соединены с тангенциальными соплами реактивной гидротурбины. Необходимый крутящий момент на выходном валу 50 создается в процессе реактивного отброса турбожидкости из упомянутых сопл на стенки сливного бака 51. 4 ил.

МОТОР-РЕКУПЕРАТОР, содержащий корпус с подвижным блоком, в котором размещены основная тепловая система, включающая рабочие цилиндры, в каждом из которых смонтированы поршень и общий шток, контактирующий с профильным кольцом механизма тактообразования, и механизм преобразования энергии, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной автономной тепловой системой, аналогичной основной, при этом рабочие цилиндры основной и дополнительной систем расположены в подвижном блоке попарно и осесимметрично, а общие штоки каждой пары цилиндров кинематически взаимосвязаны с возможностью перемещений во встречных направлениях посредством введенного равноплечего рычажного механизма, например зубчато-реечной передачи, а механизм преобразования энергии выполнен в виде поршневых гидронасосов, соединенных с тангенциальными соплами реактивной гидротурбины, в полости каждого из которых размещена игла переменного по длине сечения, снабженная приводом ее продольных перемещений.