ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА Российский патент 1997 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к области газовых регенеративных машин, работающих по циклу Стирлинга.

Известна криогенная холодильная машина, содержащая встроенный в цилиндр машины холодильник. [1]
Недостатком данной машины является увеличение габаритных размеров за счет выноса остальных теплообменых аппаратов за пределы цилиндра.

Известно устройство двигателя Стирлинга, включающее камеру сгорания, топливную форсунку, нагреватель, горячую полость, регенератор, вытеснитель, рабочий поршень, холодильник, холодную полость, цилиндр и привод. [2]
Недостатком данного устройства является сложное конструктивное исполнение нагревателя, большое "мертвое пространство" машины, невысокая эффективность работы камеры сгорания.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в уменьшении "мертвого пространства", повышении эффективности цикла, уменьшении элементов базы и упрощении конструкции двигателей.

Для достижения этого технического результата двигатель Стирлинга, включающий в себя камеру сгорания с топливной форсункой, рабочий поршень, вытеснитель, встроенные в цилиндр регенератор и холодильник, привод, снабжен камерой сгорания цилиндрической формы с разделяющим экраном, обеспечивающим подогрев подаваемого воздуха, и радиально расположенными топливными форсунками в нижней части камеры, а также вытеснителем, соединенным с цилиндром с помощью гофрированного эластичного, теплостойкого материала, образующего стенки горячей полости, имеющие шток, проходящий через регенератор и холодильник.

Введение в состав двигателя Стирлинга камеры сгорания с разделяющим экраном и радиально расположенными форсунками, а также вытеснителя, соединенного с цилиндром машины с помощью гофрированного теплостойкого материала, позволяет получить новое средство, заключающееся в повышении термодинамической эффективности двигателя за счет подогрева подаваемого в камеру сгорания воздуха, равномерного интенсивного прогрева рабочего тела, заключенного в горячей полости, исключения такого элемента как нагреватель, а, следовательно, и его "мертвого пространства", что позволяет повысить к.п.д. двигателя.

На чертеже изображен двигатель Стирлинга.

Двигатель имеет цилиндр 1, внутри которого расположен рабочий поршень 2, холодильник 3 с патрубком для циркуляции охлаждающей жидкости 16, ренегератор 4. Вытеснитель 12 соединен с цилиндром 1 с помощью гофрированного эластичного и теплостойкого материала 13, который вместе с вытеснителем 12 и верхней частью регенератора 4 образует горячую полость 5 двигателя. Шток 14 вытеснителя 12 проходит через регенератор 4 и холодильник 3. Камера сгорания 10 имеет разделительный экран 11, патрубки для подачи воздуха 8, канал 7 для движения воздуха и канал 9 для удаления отработавших газов. В нижней части камеры сгорания 10 радиально расположены топливные форсунки 6. Камера сгорания 10 выполнена с теплоизоляцией 15. Двигатель имеет холодную полость 17, ограниченную верхней поверхностью рабочего поршня 2, нижней частью холодильника 3 и стенками цилиндра 1. Для герметизации рабочих полостей 5, 17, все двигающиеся элементы снабжены уплотнениями 18.

Двигатель Стирлинга работает следующим образом.

В камеру сгорания 10 подается через патрубки 8 по каналу 7 воздух, подогреваемый отработанными газами, двигающимися в противоположном направлении и удаляемыми через канал 9. Потоки воздуха и отработанных газов разделены экраном 11. Для образования горючей смеси в камеру сгорания 10, через радиально расположенные топливные форсунки 6 подается топливо.

Вытеснитель 12 находится в нижней мертвой точке (НМТ), плотно прижав сложенные гофры стенки 13 к нижней части камеры сгорания 10. Рабочий поршень 2, двигаясь, вверх сжимает рабочий газ, под действием внешних сил газ сжимается в полости 17 и "мертвых" объемах холодильника 3 и регенератора 4. В холодильнике 3 поступающая через патрубок 16 охлажденная жидкость забирает тепло от сжимаемого рабочего тела. При достижении определенного уровня рабочего поршня 2 процесс сжатия заканчивается, и вытеснитель 12 начинает движение вверх, одновременно с продолжающим движение рабочим поршнем 2, перемещая, при постоянном объеме, рабочий газ через холодильник 3, регенератор 4 и горячую полость 5. Сложенные гофры стенки 13 растягиваются, увеличивая объем горячей полости 5. Рабочее тело получает тепло от регенератора 4. Рабочий поршень 2 заканчивает свое движение вверх, в верхней мертвой точке (ВМТ). Теперь рабочий газ в горячей полости 5, где за счет воспламенения топлива, подаваемого через форсунки 6, нагревается через гофрированные стенки 13, увеличивается его давление, что приводит к движению вытеснителя 12 вверх, а рабочего поршня 2 вниз. Данный процесс приводит к совершению положительной работы. Вытеснитель 12 достигает своей ВМТ, подача тепла прекращается, и начинает двигаться вниз, одновременно с рабочим поршнем 2, переталкивая рабочий газ через регенератор 4, где отдает ему свое тепло, холодильник 3 в холодную полость 17. Рабочий поршень 2 достигает своей НМТ и начинает двигаться вверх, навстречу вытеснителю 12. Начинается процесс сжатия. В холодильнике 3 поступающая через патрубок 16 охлаждающая жидкость забирает тепло от сжимаемого рабочего тела. Вытеснитель достигает своей НМТ, плотно прижимая сложенные гофры стенки 13 горячей полости к нижнему торцу камеры сгорания 10. Цикл повторяется.

Источники информации.

1. Заявка Великобритании N 1483356 (заявлена в 1974).

2. Г.Ридер. Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М. Мир, 1986, стр. 55. - прототип.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: в устройстве двигателя исключен нагреватель, подвод тепла в фазе расширения осуществляется через гофрированные стенки 13 горячей полости 5. Для эффективного и равномерного подвода тепла к рабочему телу топливные форсунки 6 расположены радиально в нижней части камеры сгорания 10, которая снабжена разделительным экраном 11, обеспечивающим противоток отработанных газов и воздуха, с целью предварительного подогрева последнего. 1 ил.

Двигатель Стирлинга, включающий камеру сгорания с топливной форсункой, рабочий поршень, вытеснитель, регенератор, холодильник, привод, отличающийся тем, что камера сгорания снабжена разделяющим экраном, обеспечивающим подогрев подаваемого воздуха, и радиально расположенными топливными форсунками в нижней части камеры, а вытеснитель, шток которого проходит через регенератор и холодильник, соединен с цилиндром двигателя с помощью гофрированного эластичного, теплостойкого материала, образующего стенки горячей полости.