ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ Российский патент 1998 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при создании двигателей с внешним подводом теплоты.

Известны двигатели с внешним подводом теплоты, включающие цилиндр, рабочий поршень, поршень-вытеснитель, источник внешнего подвода теплоты, регенератор, устройство преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходного вала [1,2]
Известные двигатели обладают рядом недостатком: низкий эффективный КПД, низкая литровая мощность и большой удельный вес; сложность конструкции двигателя и механизма передачи поступательного движения поршня во вращательное движение выходное вала, сложность удержания рабочего тела в цилиндре (гелия, водорода и др.).

В качестве прототипа выбран наиболее близкий по совокупности существенных признаков к предлагаемому двигатель, включающий картер с цилиндром, поршень, не менее двух нагревателей, сообщающихся с рабочим объемом цилиндра посредством каналов с клапанами, теплообменник, связывающий надпоршневое и подпоршневое пространство в конце расширения, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала [3]
Недостатком известного двигателя является низкий КПД, сложность конструкции двигателя, большая удельная масса и объем, сложность конструкции герметизации рабочего тела в цилиндре, быстрый износ поршневой группы, сложность конструкции механизма передачи возратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить КПД двигателя, упростить его конструкцию, снизить удельную массу, объем и износ, упростить герметизацию рабочего тела в цилиндре, снизить общую стоимость двигателя, один из нагревателей и надпоршневое пространство цилиндра сообщены каналом, перекрываемым стенкой поршня на высоте 0,70-0,85 хода поршня от НМТ, а механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала выполнен в виде планетарного редуктора, соединенного с поршнем через шток, причем сателлит планетарного редуктора имеет диаметр в два раза меньше диаметра эпицикла и установлен на водиле с радиусом, равным радиусу сателлита.

Указанные отличия являются существенными, так как проявляются в свойствах, которыми не обладают известные двигатели с внешним подводом теплоты:
сообщение одного из нагревателей с надпоршневой полостью цилиндра каналом, перекрываемым стенкой поршня на высоте 0,7-0,85 хода поршня от НМТ, позволяет осуществлять рабочий процесс с меньшими затратами на сжатие и изохорически сжимать основную массу рабочего тела, что значительно повышает КПД и упрощает конструкцию двигателя, снижает удельную его массу, удельный объем;
введение механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение выходного вала в виде планетарного редуктора, соединенного с поршнем через шток, в котором сателлит имеет диаметр в два раза меньше эпицикла и установлен на водиле с радиусом, равным радиусу сателлита, уменьшает износ цилиндро-поршневой группы, так как тангенциальные усилия в данном случае отсутствуют, введение в двигатель этого механизма еще больше снижает габариты и вес двигателя.

Все это в конечном итоге позволяет значительно улучшить эффективные показатели двигателя (топливную экономичность, литровую мощность, общую стоимость двигателя, износ и др.).

Аналогичные решения в процессе поиска не найдены.

На чертеже представлена схема двигателя с внешним подводом теплоты.

Двигатель содержит корпус 1 с цилиндром 2, внутренняя полость которого разделена поршнем 3 в надпоршневую (А) и подпоршневую (B) полости, сообщающиеся между собой при положении поршня в НМТ теплообменником 4, канал 5 соединяет полость надпоршневого пространства (A) с нагревателем 6, а второй нагреватель 7 сообщен непосредственно с головкой цилиндра 2, поршень 3 через шток 8 сообщен с сателлитом 9 и связан с эпициклом 10 через водило 11, тепло нагревателям 6 и 7 сообщается от источника теплоты 12.

Двигатель работает следующим образом. От источника теплоты 12 тепло передается нагревателям 6 и 7. От нагревателя 7 тепло через головку цилиндра 2 передается постоянно в надпоршневую полость А. В эту же полость передается тепло от нагревателя 6 через канал 5, но только тогда, когда канал 5 не перекрыт поршнем 5. При движении поршня 3 вверх на высоте 0,7-0,85 от НМТ канал 5 перекрывается стенкой поршня 3 и подача тепла от нагревателя 6 прекращается. В нагревателе 6 резко поднимается давление и температура по изохорическому закону и продолжается этот процесс от 30-90^o по углу поворота выходного вала. В течение этого времени идет процесс сжатия и расширения только под влиянием источника теплоты 7. Здесь имеет место политропно-изотермический процесс. При движении поршня вниз и открытии канала 5 накопившееся тепло в нагревателе 6 устремляется в полость (А), совершая работу по политропному процессу.

Анализ работы циклов по диаграммам P и Т показал, что среднее индикаторное давление в предлагаемом двигателе в сравнении с известными двигателями подобного типа возрастает более, чем в 1,5 раза. По индикаторным показателям предлагаемый двигатель превосходит двигатели внутреннего сгорания на 10-15 процентов.

Поршень, двигаясь вниз через шток 8, передает давление на сателлит 9, где он к сателлиту присоединен шарнирно в точке 0. В силу того, что радиус водила 11 равен радиусу сателлита 9, а радиус сателлита равен 0,5 радиуса эпицикла 10, точка 0 совершает строго возвратно-поступательное движение, не имея тангенциальных усилий на штоке, и далее через водило 11 передает вращательное движение на выходной вал.

Из процесса работы двигателя видим, что использование новой совокупности элементов двигателя с внешним подводом теплоты выгодно отличает его от прототипа, так как позволяет повысить КПД двигателя, упростить его конструкцию, снизить удельную массу и габариты, а также износ, упростить герметизацию рабочего тела в цилиндре, снизить общую стоимость двигателя.

Кроме указанного выше экономического эффекта, использование предлагаемого технического решения позволяет:
многократно снизить выбросы в атмосферу токсичных компонентов,
обеспечить бесшумную работу двигателя,
использовать любые источники тепла,
значительно снизить расход топлива (Gt/Ne) и иметь его ниже, чем в двигателях внутреннего сгорания.

Источники информации, принятые во внимание.

1. Двигатели Стирлинга. Перевод с английского под редакцией д.т.н. профессора Бродянского В.М. М. "Мир", 1975.

2. Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Перевод с английского. М. "Мир", 1985.

3. Авт.св. СССР N 1387562, кл. F 02 G 1/04, 1987.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: в двигателе внешнего сгорания один из нагревателей и надпоршневое пространство цилиндра сообщены каналом, перекрываемым стенкой поршня на высоте 0,7-0,85 хода поршня от НМТ, а механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала выполнен в виде планетарного редуктора, соединенного с поршнем через шток, причем сателлит планетарного редуктора имеет диаметр в два раза меньше диаметра эпицикла и установлен на водиле с радиусом, равным радиусу сателита. 1 ил.

Двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий картер с цилиндром, поршень, не менее двух нагревателей, сообщающихся с рабочим объемом цилиндра, теплообменник, преобразователь возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД двигателя, упрощения его конструкции, снижения его удельной массы, объема и износа, упрощения конструкции герметизации рабочего тела в цилиндре, снижения общей стоимости двигателя, один из нагревателей и надпоршневое пространство цилиндра сообщены каналом, перекрываемым стенкой поршня на высоте 0,7 0,85 хода поршня от НМТ, а механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала выполнен в виде планетарного редуктора, соединенного с поршнем через шток, причем сателлит планетарного редуктора имеет диаметр, в два раза меньший диаметра эпицикла, и установлен на водиле с радиусом, равным радиусу сателлита.