ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к двигателям с внешним подводом тепла. Оно может быть использовано для утилизации тепла отходов различных промышленных установок, в виде горячих газов, для превращения тепла в механическую работу и электрическую энергию. Оно может быть также использовано для утилизации тепла дымовых газов печного отопления в индивидуальных домах.

Известна паровая машина Уатта [1] в которой имеется рабочий цилиндр, разделенный на две части поршнем со штоком. В каждую часть цилиндра периодически подают перегретый пар, в то время как из другой части цилиндра периодически выпускают отработанный пар, в результате чего поршень совершает возвратно-поступательное движение, преобразуемое во вращательное шатунно-кривошипным механизмом.

Недостатком этого двигателя является необходимость в специальном рабочем веществе-водяном паре -, для получения которого требуется громоздкое и дорогое устройство паровой котел. Поэтому этот двигатель в настоящее время почти не применяется.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является двигатель внешнего сгорания [2, 3] (или двигатель с внешним подводом тепла), принятый за прототип, содержащий рабочий цилиндр с внешним подводом тепла, поршень со штоком, поршень-вытеснитель отработанного рабочего газа и тепловой регенератор газа. В качестве газорабочего тела двигателя обычно используют водород или гелий при высоких давлениях 10 14 МПа (100 140 ат.).

Недостатком этого двигателя является сложность его конструкции и очень высокое давление рабочего газа, при которого работа двигателя становится эффективной. Поэтому этот двигатель с внешним подводом тепла почти не нашел практического применения [2]
Задачей изобретения является упрощение конструкции двигателя с внешним подводом тепла путем устранения поршня вытеснителя и регенератора, значительного снижения давления рабочего газа и придания двигателю способности работать при малой разности температур между нагревателем и охладителем [2] благодаря чему двигатель способен утилизировать тепло горячих газов-отходов от различных высокотемпературных установок и, в частности, систем отопления.

Задача решается благодаря тому, что двигатель с внешним подводом тепла, содержащий цилиндр, разделенный поршнем со штоком на две части, сообщенные с рабочими камерами и заполненные рабочим газом, при этом рабочие камеры снабжены устройствами для поочередного и противофазного нагрева и охлаждения рабочего газа, отличается тем, что рабочие камеры выполнены выносными и сообщены с цилиндром при помощи патрубков, а объем рабочих камер в 5 10 раз превышает объем цилиндра.

Двигатель отличается тем, что рабочие камеры и цилиндр с остальными агрегатами размещены в изолированных друг от друга отсеках.

Сущность изобретения состоит в том, что при нагреве камеры давление газа в ней и в соединенной с ней части цилиндра существенно повышается, и поршень перемещается выталкивая газ из второй части цилиндра во вторую камеру, которую в это время охлаждают. Затем первую камеру охлаждают и одновременно нагревают вторую камеру, в результате чего поршень перемещается в противоположном направлении и рабочий газ вытесняется из первой части цилиндра в соединенную с ней первую камеру. Так совершается возвратно-поступательное движение поршня и штока, которое хорошо известными способами [1] может быть преобразовано во вращательное движение.

Так как объем камер в 4 10 раз больше объема цилиндра, перемещение поршня в цилиндре несущественно изменяют давление газа в цилиндре и в камерах, соединенных с соответствующими частями цилиндра. Если, например, объем цилиндра 2 литра, то объем камер должен быть 10 20 литров.

При такой конструкции двигателя давление рабочего газа в камерах 10 15 ат (1 1,5 МПа) достаточно, чтобы двигатель мог работать при разности температур между нагревателем и охладителем в 20 30^oС. Например, при средней температуре камер Т 300 К 27^oС (комнатная температура) давлении газа в камерах 15 ат и разности температур между камерами Т 20 К 20^oС разность давлений Δp между камерами будет [4] . При площади поршня 100 см² на шток будет действовать сила F 100 кГ 980 H, что достаточно для работы двигателя.

На чертеже схематически изображено устройство предлагаемого двигателя в продольном разрезе.

Двигатель содержит рабочий цилиндр 1, внутри которого расположен поршень 2 со штоком 3, проходящим через уплотнение 4. Рабочий цилиндр 1 разделен поршнем 2 на две части 5 и 6, соединенные с камерами 7 и 8 патрубками 9 и 10. По трубам 11 и 12 (или горелками, форсунками для сжигания топлива) на камеры 7 и 8 периодически направляют газообразные продукты сжигания топлива. Для охлаждения камер служат сопла 13, подающие за счет работы двигателя струи холодного воздуха, воды или потоки водяных брызг. Для переключения режима работы камер с нагрева на охлаждение, и наоборот, могут быть использованы различные устройства. На чертеже в качестве примерам приведено устройство для переключения с помощью шибера 14, приводимого в движение штоком 3 через стержни 15 17, соединенные шарнирами.

Работа двигателя происходит следующим образом. Камеру 7 нагревают потоком горячего газа. Давление в этой камере и левой части 5 цилиндра 1 повышается и становится выше давления газа в второй части цилиндра 6 и соединенной с ней камере 8. Поршень 2 из крайнего левого положения в цилиндре 1 начнет передвигаться вправо. В момент достижения поршня центрального положения в цилиндр 1 нагрев камеры 7 прекращают и одновременно начинают нагрев второй камеры 8 и охлаждение камеры 7. Движение поршня вправо будет продолжаться до тех пор пока давление газа в камерах 7 и 8 не сравняется. Далее камера 8 прогревается, и поршень 2 за счет повышения давления в камере 8 начинает передвигаться в противоположном направлении, влево на чертеже. При этом поршень 2 будет выталкивать рабочий газ из части цилиндра 5 в камеру 7. В момент достижения поршнем среднего положения нагрев камеры 8 прекращают, начинают ее охлаждение и одновременно начинают нагрев камеры 7, после чего цикл работы двигателя завершается.

Частота возвратно-поступательного движения поршня 2 зависит от скорости нагревания и охлаждения камер, величины изменения температуры камер, от исходного давления газа в камерах и мощности двигателя.

Исходное давление рабочего газа в цилиндре и камерах может изменяться от нескольких атмосфер до нескольких десятков атмосфер. В качестве рабочего газа, как и в двигателе прототипе, могут быть использованы водород и гелий или аргон и воздух [2, 3]
В простейшем случае камеры 7 и 8 можно изготовить из стали, что дает возможность нагревать камеры до температуры в несколько сотен градусов. При использовании жаростойких и жаропрочных материалов температуры могут быть существенно выше, что будет способствовать получению более высокого коэффициента полезного действия.

Для улучшения теплообмена поверхности камер следует изготавливать рефленой. Еще лучше потоки горячего газа и холодного воздуха пропускать через систему теплообменных труб, расположенных внутри камер 7 и 8.

Достоинством предлагаемого двигателя является простота его конструкции и вследствие этого малая стоимость и высокая надежность в работе. Двигатель может работать на самых различных видах топлива: дрова, торф, бурый уголь, горючие сланцы, угольная пыль, сырая нефть, мазут, керосин, горючий, в частности, природный газ. Для работы двигателя можно использовать отходы в виде горячих газов от различных высокотемпературных агрегатов: котельных установок, металлургических печей, печей домашнего отопления.

Как видно из чертежа камеры 7 и 8 можно расположить в дымовой трубе топки, разделив продольно перегородкой поток газа на две части. При этом шибером 14 поток горячего газа периодически направляют то в одну то в другую часть продольно разделенного дымохода при одновременном пропускании холодного воздуха через другую часть дымохода. Потоки горячего и холодного воздуха могут быть обеспечены даже естественной тягой в трубе.

Важным достоинством предлагаемого двигателя является то, что рабочий газ нагревают в камерах 7 и 8, а не в рабочем цилиндре, как в двигателе-прототипе [2] что позволяет проводить нагрев до более высоких температур, повышает коэффициент полезного действия двигателя и ускоряет процесс нагрева и охлаждения рабочего газа.

Очень важным достоинством предлагаемого двигателя является, то что он может использовать для работы малые разности температур (в десятки градусов), что не могут делать двигатели-прототипы [2] и паровые машины или другие тепловые двигатели.

Предлагаемый двигатель может также работать используя горячую воду подземных вод.

Предлагаемый двигатель может быть использован в жилых домах, где используют печное отопление. За счет горячих газов печного отопления двигатель может вырабатывать электроэнергию для дома и подавать в дом воду из колодца или реки. Такой двигатель может быть широко использован в отдаленных районах Сибири и Дальнего Востока, где много дров, но куда доставлять топливо для дизельных или бензиновых двигателей дорого и сложно. В частности, предлагаемый двигатель может быть эффективно использован фермерами, что приведет к экономии дорого и дефицитного дизельного топлива и бензина.

Экономический эффект от применения предлагаемого двигателя будет значительным, но количественно его в настоящее время оценить трудно.

Литеpатуpа.

1. Техническая энциклопедия. Под pедакцией Маpтенса Л.К. М. Советская энциклопедия, 1931, с.782.

2. Большая советская энциклопедия, т.24 книга I. М. Советская энциклопедия, 1976, с.520.

3. Политехнический словаpь. М. Советская энциклопедия, 1989, с.505.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель внешнего сгорания содержит цилиндр, разделенный поршнем со штоком на 2 части, каждая из которых патрубком соединена с камерой, наполненной рабочим газом (гелием, аргоном, азотом и др.). Периодический нагрев и охлаждение камер, когда одну камеру нагревают потоком газообразных продуктов горения топлива, а вторую охлаждают потоком холодного воздуха или воды приводит к изменению давления в частях цилиндра, соединенных с камерами, и возвратно-поступательному движению поршня со штоком. Двигатель может работать на любом топливе, использовать для работы потоки горячего газа, являющиеся отходами работы различных высокотемпературных агрегатов или просто утилизировать тепло в печной трубе дровяного отопления сельского дома. При этом для работы двигателя достаточны перепады температуры всего в несколько десятков градусов. 1. з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий цилиндр, разделенный поршнем со штоком на две части, сообщенные с рабочими камерами и заполненные рабочим газом, при этом рабочие камеры снабжены устройствами для поочередного и противофазного нагрева и охлаждения рабочего газа, отличающийся тем, что рабочие камеры выполнены выносными и сообщены с цилиндром при помощи патрубков, а объем рабочих камер в 5-10 раз превышает объем цилиндра. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочие камеры и цилиндр с остальными агрегатами размещены в изолированных друг от друга отсеках.