ДВУХТАКТНЫЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02B43/00 

Изобретение относится к энергетике, а конкретно касается совершенствования установок, обеспечивающих преобразование тепловой энергии сгорания топлива в механическую работу. Известны двухтактные двигатели внутреннего сгорания (дизели), в которых преобразование энергии происходит за счет впрыска топлива в высокотемпературную надпоршневую полость цилиндра и последующего расширения образующихся при его горении газов. Однако, из-за того, что горение протекает в ограниченный промежуток времени, продукты горения (топливо и воздух) не успевают прореагировать между собой и значительная часть их вместе с остатками теплохимической реакции выбрасывается в атмосферу, вызывая нежелательные последствия с экологической точки зрения. Попытки создателей и разработчиков современных дизелей обеспечить экологичность двигателей путем интенсификации процесса горения топливной смеси (наддув) пока не достигли желаемых результатов. Применение антидетонационных присадок, как показывает практика, приводит к еще большему загрязнению окружающей среды за счет выброса в атмосферу соединений свинца и других энтерогенных веществ, образующихся в процессе сгорания топлива, двигатели внутреннего сгорания прошли большой путь всестороннего совершенствования и в данное время имеют предельный уровень КПД. Для дальнейшего совершенствования тепловых двигателей как с точки зрения повышения их эффективности (КПД), так и со стороны воздействия на окружающую среду (экологичность) необходимо искать новые направления. Одним из таких направлений является использование в качестве преобразователя тепловой энергии двигателя внешнего сгорания, который обеспечивает более полное использование теплотворной способности топлива, позволяет применять любые известные в настоящее время его виды и включить в процесс преобразования энергии тепло выхлопных газов. Первый двигатель с внешним процессом горения был изобретен 200 лет тому назад монахом Стирлингом. В то время двигатели Стирлинга не нашли широкого распространения из-за отсутствия жаростойких сталей. На многие годы двигатель Стирлинга был забыт, но теперь к нему проявляется большой интерес. Недостатком двигателя Стирлинга является относительно низкий термический КПД, обусловленный невозможностью использования в его цикле тепла отработанных газов (рекуперации). Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является тепловой двигатель по авт. свид. СССР N 92496 (заявка N 438607 от 20.11.50). Несмотря на то, что данное изобретение касается конструкции паросиловой установки, общим и основным существенным признаком с заявляемым техническим решением является наличие системы газораспределения, управляемой потоком используемого двигателем рабочего тепла и потоком отработанных газов, т. е. отсутствием жесткой кинематической связи коленчатого вала с выпускным клапаном головки цилиндра. Недостатком данной паросиловой установки является незначительный температурный перепад рабочего цикла, что обуславливает ее низкий термический КПД, как следствие, громоздкость котельной установки. Невозможность повышения температурного перепада связана с тем, что при росте температуры топочных газов становится возможным чрезмерное повышение давления пара в котле. Указанный недостаток можно устранить, если в качестве рабочего тела использовать не водяной пар, а непосредственно топочные газы, получаемые при сжигании топлива, целью данного изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик, повышение термического коэффициента полезного действия за счет использования в качестве рабочего тела топочных газов. При наличии системы охлаждения цилиндра и непосредственно впускного клапана температуру рабочего тела можно принять равной температуре горения, что с учетом использования теплоты отработанных газов, позволяет более чем в 2 раза повысить КПД двигателя.

Упомянутая цель достигается тем, что в известном тепловом двигателе, содержащем рабочий цилиндр с размещенным внутри поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, элементы подготовки рабочего тела с периферийной топкой и системой воздухоподачи в нее, систему наполнения цилиндра рабочим телом с размещенным в головке впускным клапаном в виде подвижного в осевом направлении подпружиненного плунжера, внутренняя полость которого с трубопроводом выпуска отработанных газов через клапан, управляемый центробежным регулятором, кинематически связанным с коленчатым валом, система подачи воздуха в топку выполнена в виде замкнутого контура и снабжена ресивером, головка цилиндра разделена перегородкой на две изолированные друг от друга полости, в одной из которых размещен клапан впуска рабочего тела, а другая снабжена подпружиненным напорным клапаном, при этом обе полости соединены посредством трубопроводов с ресивером системы подачи воздуха в топку, при этом трубопровод, соединяющий топку с ресивером, размещен внутри трубопровода выпуска отработанных газов из цилиндра.

Ниже, в качестве примера практического воплощения изобретения, приведено подробное, поясненное чертежами описания одного из возможных вариантов заявленного теплового двигателя.

На фиг. 1 приведена общая схема энергетической установки; на фиг.2 - расчетные значения термических КПД двигателя при различных значениях температуры рабочего тела в зависимости от перепада давлений впуска и выпуска; на фиг.3 диаграмма рабочего цикла заявленного двигателя.

В заявленном варианте двигатель включает рабочий цилиндр 1 с головкой 2 и поршнем 3, кинематически связанным с коленчатым валом (на чертеже не показан). В стенках цилиндра расположены окна 4 выпуска отработанных газов. Система подготовки рабочего тела содержит периферийную топку 5 и ресивер 6 подачи окислителя (воздуха) в топку. Головка 2 перегородкой 8 разделена на изолированные друг от друга полости 9 и 10. В полости 10 установлен подвижный в осевом направлении впускной клапан 11, выполненный в виде плунжера и нагруженный пружиной 12. Надплунжерная полость 13 клапана 11 трубопроводом 14 соединена с клапаном 15, управляемым центробежным регулятором 16, который представляет собой смонтированный на коленчатом валу 17 двигателя подпружиненный (пружина 18) и снабженный противовесом 19 кулачок 20, профильная поверхность 21 которого через промежуточное коромысло 22 контактирует с толкателем 23 клапана 15. Система выпуски отработанных газов содержит рекуператор 24, внутри которого смонтирован трубопровод 25 подачи воздуха из ресивера 6 в топку 5. В полости 9 головки цилиндра установлен нагнетательный клапан 26, нагруженный пружиной 27, усилие которой может регулироваться, например, посредством винтового механизма 28. Полость 9 головки цилиндра соединена с ресивером 6 посредством трубопровода 29. Клапан 11 впуска рабочего тела в целях обеспечения его интенсивного и принудительного охлаждения размещен в полости 10 внутри стакана 30 с перфорированными стенками, а сама полость 10 трубопроводом 31 соединена с ресивером 6, надплунжерная полость 13 впускного клапана 11 центробежным регулятором 16 может соединяться или с атмосферой, или через трубопровод с системой выпуска отработанных газов (во втором случае снижение давления в надплунжерной полости 13 клапана 11 протекает более интенсивно за счет сил эжекции выхлопных газов двигателя). Работа двигателя осуществляется следующим образом: при нахождении поршня 3 в нижней мертвой точке через окна 4 происходит продувка цилиндра (или за счет давления, создаваемого поршнем в картере двигателя, или путем наддува от автономного нагнетателя). При движении поршня 3 вверх окна 4 перекрываются и воздух в цилиндре сжимаются до давления, определяемого величиной усилия пружины 27 нагнетательного клапана 26, при дальнейшем повышении давления клапан 26 открывается и находящийся в цилиндре воздух через полость 9 головки по трубопроводу 29 поступает в ресивер 6, а оттуда: во-первых, через рекуператор 24 в (где происходит его подогрев) в топку 5 (в качестве окислителя) и, во-вторых, по трубопроводу 31 в полость 10 головки цилиндра, далее через перфорированные стенки стакана 30 и плунжерные зазоры клапане 11 - на охлаждение последнего. Ввиду того, что усилие пружины 12 больше усилия пружины 27 клапан 11 в данный момент остается закрытым. При подходе поршня к верхней мертвой точке кулачок 20 центробежного регулятора 16, воздействия профильной поверхностью 21 через коромысло 22 и толкатель 23, открывает клапан 15, соединяя надплунжерную полость 13 клапана 11 или с атмосферой, или с системой выпуска отработанных газов; давление в полости 13 резко падает, давление пружины 12 ослабляется, и клапан 11 открывается на время (определяемое формой профильной поверхностью 21 кулачка 40), обеспечивающее впуск в цилиндр горячих топочных газов из топки 5 поршень под их действием движется вниз (рабочий ход). В его начале кулачок 20 центробежного регулятора выходит из контакта с толкателем 23 клапана 15, 11 и 26 остаются закрытыми, а давление в цилиндре обуславливается усилием пружины 12 клапана 11 и усилием пружины 27 клапана 26 (с учетом давления воздуха в ресивере 6). В зависимости от требуемой мощности посредством центробежного регулятора 16 (возможно и педальное и ручное управление) регулирование степени наполнения цилиндра рабочим телом. При увеличении нагрузки происходит снижение числа оборотов и уменьшение центробежной силы противовеса 19 кулачка 20 регулятора 16, под действием пружины 18 кулачок 20 выдвигается относительно вала 17 на большую величину), соответственно увеличивая подъем штока 23 клапана 15, что приводит к большому падению давления в полости 13 клапана 11 его проходное сечение увеличивается и в цилиндр пропускается большее количество топочных газов и при их последующем расширении растет мощность. Цикл двигателя (фиг. 3) состоит из:
адиабатического сжатия воздуха (точки 1, 2);
нагревания воздуха в рекуператоре (точки 2, 3);
нагрева рабочего тела (горение топлива) точки 3,4;
адиабатического расширения (точки 4,5).

На фиг.2 приведены расчетные значения термических КПД двигателя для различных значений абсолютных температур рабочего тела в зависимости от степени сжатия. Учитывая неизбежные при работе двигателя механические и тепловые потери практический КПД будет иметь максимальное значение при степени сжатия, приближающейся к 10.

Преимуществами предлагаемого двигателя являются:
использование тепла выхлопных газов (рекуперация);
меньшее экологическое загрязнение атмосферы (непрерывное горение топлива);
возможность использования любого топлива.

Изобретение относится к области энергетики, а именно, к условиям преобразования тепловой энергии сгорания топлива в механическую работу. Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик, повышение термического КПД за счет использования в качестве рабочего тела топочных газов. Двигатель содержит цилиндр 1 с поршнем 3, кинематически связанный с коленчатым валом, периферийную топку 5 с системой воздухоподачи, систему наполнения с впускным клапаном 11 в виде подпружиненного плунжера, подплунжерная полость которого через клапан 15, управляемый центробежным регулятором 16 соединена с трубопроводом выпуска отработавших газов, система подачи воздуха в топку выполнена замкнутой и снабжена ресивером 6, головка цилиндра 2 разделена перегородкой 8 на две изолированные друг от друга полости 9, 10, в одной из которых смонтирован выпускной клапан 11, а другая снабжена подпружиненным напорным клапаном 26, при этом обе полости соединены с ресивером 6, а трубопровод подачи воздуха в топку размещен внутри трубопровода выпуска отработанных газов из цилиндра 1. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двухтактный тепловой двигатель, содержащий рабочий цилиндр с размещенным внутри поршнем, кинематически связанным с коленчатым валом, элементы подготовки рабочего тела в виде периферийной топки с системой воздухоподачи, систему наполнения цилиндра рабочим телом со смонтированным в головке цилиндра впускным клапаном в виде подвижного в осевом направлении подпружиненного плунжера, внутренняя полость которого соединена с трубопроводом выпуска отработанных газов через клапан с управляемым центробежным регулятором, кинематически связанным с коленчатым валом, отличающийся тем, что, с целью эксплуатационных характеристик, повышения термического коэффициента полезного действия за счет использования в качестве рабочего тела топочных газов, система подачи воздуха в топку выполнена в виде замкнутого контура и снабжена ресивером, головка цилиндра разделена перегородкой на две изолированные полости, в одной из которых размещен клапан впуска рабочего тела, а в другой подпружиненный напорный клапан, при этом оба клапана выполнены взаимодействующими. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что трубопровод подачи воздуха из ресивера в топку размещен внутри трубопровода выпуска отработанных газов из цилиндра двигателя.