ДВИГАТЕЛЬ ДОЧКИНА В.Г. С ВНЕШНИМ СГОРАНИЕМ, РАБОТАЮЩИЙ ПО ЗАМКНУТОМУ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОМУ И ВЫСОКОЭКОНОМИЧНОМУ ЦИКЛУ Российский патент 1997 года по МПК F16H25/08 F01K25/04 

Изобретение относится к энергетическим установкам, преобразующим тепловую энергию в механическую.

Использование изобретения: в железнодорожных тепловозах, тракторах, комбайнах, тяжелых автомобилях, в кораблестроении, в энергоустановках для вырабатывания электроэнергии, в различных силовых установках для высокоэффективного использования тепла для преобразования его в другие виды энергии.

Существующие двигатели внутреннего сгорания при высокой степени их технологичности для массового производства и получившие широкое распространение в различных областях применения, имеют ряд существенных недостатков. Главные из них: а) сравнительно невысокий КПД; б) токсичность выхлопов, приводящая к загрязнению окружающей среды (экологически нечистые); в) повышенные шумовые характеристики, создающие в зонах их применения дискомфорт для населения; г) строго определенный вид топлива, на котором они способны работать.

В значительной степени указанные недостатки имеются у некоторых двигателей с внешним сгоранием, предложенные ранее и работающие по циклам Стирлинга, Эриксона и Брайтона, (например, US N 3867816, US N 3995431, FR N 2512881, FR N 2411301).

Однако, в указанных двигателях затруднено удовлетворительное конструктивное решение теплообменных аппаратов, так как приходится иметь дело с теплообменниками газ-воздух (рабочим телом является газ, а охлаждающим агентом воздух). Как правило, эффективность таких теплообменников невысока, а размеры громоздки по сравнению с самим двигателем.

В предложенном изобретении предлагается конструкция двигателя внешнего сгорания, работающего на рабочем теле, претерпевающем в цикле двухфазное превращение жидкость пар жидкость. При этом фазовые переходы рабочего тела происходят в компактном тепловом объемном аккумулятороре-регенераторе со специальным наполнителем. Указанный аккумулятор-регенератор выполняет одновременно функции испарителя и конденсатора.

В связи с тем, что рабочие элементы цикла двигателя происходят с фазовыми переходами жидкость пар жидкость и это происходит на протяжении всего цикла, агрегаты получаются компактными, а эффективность цикла высокой.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема двигателя, согласно изобретению (поперечный разрез); на фиг. 2 диаграмма рабочего цикла; на фиг. 3 обратный клапан (поз 11 на фиг. 1); на фиг. 4 конструкция вспомогательного поршня; на фиг. 5 кулачок (поз. 10 на фиг. 1).

Конструкция двигателя изображена на фиг. 1. Двигатель состоит из рабочего цилиндра 1 с поршнем 2, механизма, преобразующего поступательное движение поршня во вращательное движение силового вала в данном случае шатуна 3, коленчатого вала 4, картера 5, поддона картера 6, камеры сгорания 7, аккумулятора-регенератора 8, вспомогательного поршня 9, кулачка 10, обратного клапана двойного действия 11, компенсационного бака 12, охлаждающего радиатора 13, паропровода 14, нагревателя 15 крышки рабочего цилиндра, теплообменника-утилизатора 16, воздушного насоса 17, масляного насоса с маслозаборником 18, циркуляционного насоса 19, вентилятора охлаждения 20, искрогасителя-нейтрализатора 21, приводных шестерен вспомогательных агрегатов 22.

Обратный клапан 11 предназначен для двух целей: пополнения рабочим телом аккумулятора-регенератора 8 из компенсационного бака 12 и ограничения максимального давления цикла. Он состоит из корпуса 24, клапана низкого давления 25 с пружиной низкого давления 27 с тарелкой 29 и гайкой 30, клапана высокого давления 26 с пружиной высокого давления 28 и гайкой 33, пятки 31 и рычага 32 пускового режима.

Вспомогательный поршень состоит из корпуса 34, золотника 35, гильзы 36 с рычагом 41, опорного ролика 38 с осью 37, уплотняющих колец 39, антифрикционной опорной шайбы 40.

Геометрия кулачка 10 (вариант) состоит из цилиндрической поверхности минимального радиуса R_min, переходной цилиндрической поверхности подъема m₁ m₂, выполненной с максимальным радиусом R_max. Все поверхности стыкуются радиусом стыковки r_ст 0,25 R_min. Поверхность спуска ролика вспомогательного поршня n₁ n₂ выполнена также с максимальным радиусом R_max.

Двигатель работает по циклу, изображенному на фиг. 2 в координатах P V.

Начало процесса работы двигателя происходит в следующей последовательности.

В начале цикла рабочий поршень 2 находится в верхнем положении, а вспомогательный поршень 9 в нижнем положении и стоит на поверхности кулачка 10 с малым радиусом в начале поверхности подъема по кулачку 10 на большой радиус. Объем над вспомогательным поршнем 9 и нижним торцом наполнителя аккумулятора-регенератора 8 заполнен жидким рабочим телом, поступающим через обратный клапан 11 из компенсационного бака 12.

Работа клапана 11 ясна из чертежа. Пусковой режим осуществляется за счет поворота рычага 32 против часовой стрелки, нажатия его на пятку 31 и открытия клапана 25, вследствие чего рабочий цилиндр 1 двигателя, нагреватель 15 и аккумулятор-регенератор 8 соединяются с компенсационным баком 12 до входа на оптимальный режим по температуре. После достижения требуемой температуры рычаг 32 поворачивается по часовой стрелке и двигатель готов к работе.

Когда рабочий поршень 1 начинает свое движение вниз, кулачок 10 поворачивается и вспомогательный поршень 9 быстро поднимается по поверхности кулачка на большой радиус, подавая порцию жидкого рабочего тела в аккумулятор-регенератор 8. Наполнитель аккумулятора-регенератора 8 имеет температуру в нижней зоне, равной нижнему пределу температуры, т.е. холодную, а в верхней зоне близко к верхнему пределу, т.е. горячую.

Работает вспомогательный поршень следующим образом.

Ролик 38 золотника 35, поднимаясь по кулачку 10, поднимает золотник внутри гильзы 36. В гильзе 36 имеется внутри спиральная канавка "а", в золотнике 35 отверстие "б" с боковым входом. При повороте рычагом 41 гильзы 36 канавка "а" изменяет свое положение относительно отверстия "б", вследствие этого изменяется позиция сообщения надпоршневого пространства "г" через канавку "в" с компенсационным баком. Соответственно изменяется величина подаваемого рабочего тела через аккумулятор в рабочий цилиндр.

При прохождении через наполнитель аккумулятора-регенератора 8 рабочее тело, отнимая тепло от наполнителя, переходит в газообразное состояние и далее по паропроводу 14 проходит в зону нагревателя 15 крышки, где и достигает верхнего предела температуры, и совершает работу, воздействуя на рабочий поршень 2. При этом, проходя через аккумулятор-регенератор 8, рабочее тело, меняя агрегатное состояние, повышает давление (фиг. 2) из токи 1 по диаграмме в точку 2, при этом рабочий поршень 2 совершает очень малую долю своего хода. При прохождении через нагреватель 15 рабочее тело совершает процесс, обозначенный линией 2 3 на диаграмме (фиг. 2). На участке 2 3 диаграммы рабочий поршень совершает более половины от полного хода. После точки 3 диаграммы вспомогательный поршень 9 быстро спускается по поверхности кулачка на малый радиус, при этом жидкая часть рабочего тела переходит из аккумулятора-регенератора 8 в надпоршневое пространство вспомогательного поршня 9, возвращая порцию рабочего тела в жидкое состояние. В это время при продолжающемся движении рабочего поршня 2 вниз рабочее тело в парообразной фазе начинает перемещаться через паропровод 14 в аккумулятор-регенератор 8, двигаясь от горячих слоев к холодным, конденсируется и переходит частично в жидкую фазу, отдавая тепло наполнителю аккумулятора-регенератора 8 и снижая давление (по диаграмме на фиг. 2) от точки 3 до точки 4. В это время большая часть рабочего тела переходит в жидкую фазу, отдавая тепло наполнителю аккумулятора-регенератора 8. Оставшаяся меньшая часть рабочего тела в парообразном состоянии загоняется рабочим поршнем 2 в холодную зону аккумулятора-регенератора 8 при его движении из нижнего положения вверх (на диаграмме линия 4 5). В точке 5 все рабочее тело переходит в жидкое состояние, отдавая остатки тепла, и при дальнейшем движении рабочего поршня охлаждается в пространстве над вспомогательным поршнем 9 при помощи жидкого рабочего тела из компенсационного бака, циркулирующего с помощью насоса 19 через радиатор 13, который охлаждается окружающим воздухом при помощи вентилятора 20. На этом рабочий цикл заканчивается.

Обратный клапан 11 обеспечивает восстановление нижнего давления из компенсационного бака 12, (соответствующее точке 1 диаграммы на фиг. 2). Конструкция клапана 11 (фиг. 3) обеспечивает ограничение завышенного давления в точке 3 диаграммы цикла сбросом жидкого рабочего тела в компенсационный бак 12. Камера сгорания 7 в двигателе внешнего сгорания выполнена по конструкции, способной работать как на жидком, так и на твердом топливе.

Теплообменник-утилизатор 16 предназначен для подогрева подаваемого вентилятором 17 в камеру сгорания воздуха. В теплообменнике 16 происходит утилизация тепла, оставшегося после прохождения горячих газов камеры сгорания после нагревателя 15. Охлажденные газы (продукты сгорания) направляются в искрогаситель-нейтрализатор 21. Поскольку сгорание происходит практически при атмосферном давлении агрессивных выхлопных газов, которые образуются при высоком давлении в двигателях внутреннего сгорания (например, закись азота), не образуется. Поэтому нейтрализатор получается достаточно простым.

При создании многоцилиндрового двигателя аккумуляторы-регенераторы, нагреватели, вспомогательные поршни и кулачки, воздействующие на вспомогательные поршни, должны быть в конструкции индивидуально на каждый рабочий цилиндр.

Остальные агрегаты могут быть общие на всю группу цилиндров.

Использование: железнодорожные тепловозы, тракторы, комбайны, грузовые автомобили, кораблестроение, автономные энергоустановки, строительная техника, установка для превращения тепловой энергии в другие виды энергии. Сущность изобретения: двигатель внешнего сгорания состоит из рабочего цилиндра с поршнем, шатуна, коленчатого вала, камеры сгорания, вспомогательного поршня, теплообменника-утилизатора аккумулятора-регенератора, заполненного теплоемким наполнителем и паропроводом с цилиндром. Величина мощности двигателя регулируется изменением подачи топлива и изменением подачи рабочего тела вспомогательным поршнем. Остаточное тепло продуктов сгорания утилизируется в теплообменнике подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания. 5 ил.

Двигатель внешнего сгорания, работающий на рабочем теле с изменяемым агрегатным состоянием по замкнутому циклу, содержащий рабочий цилиндр с поршнем, механизм, преобразующий поступательное движение рабочего поршня во вращательное движение силового вала, вспомогательный цилиндр с поршнем, камеру сгорания, нагреватель, паропровод, радиатор охлаждения, компенсационный бак, циркуляционный насос, отличающийся тем, что он снабжен кулачком, связанным с силовым валом и установленным с возможностью взаимодействия с поршнем вспомогательного цилиндра, вентилятором подачи воздуха в камеру сгорания, теплообменником-утилизатором тепла продуктов сгорания, связанным с нагревателем и камерой сгорания, заполненным теплоемким наполнителем аккумулятором-регенератором, связанным с вспомогательным цилиндром и паропроводом через нагреватель с рабочим цилиндром и предназначенным для изменения агрегатного состояния рабочего тела из жидкости в пар и обратно, а радиатор охлаждения, компенсационный бак и циркуляционный насос последовательно соединены с вспомогательным цилиндром в замкнутый контур.