ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ Российский патент 1998 года по МПК F01B3/02 F01B29/08 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности, к тепловым двигателям с внешним подводом теплоты.

Известны двигатели в выпускной клапан которых ввернут стержень, который при положении поршня вблизи ВМТ поднимает впускной клапан, и таким образом, осуществляется газораспределение в двигателях [1].

При этом, наибольшая эффективность работы двигателей достигается только в узком интервале нагрузке. Что является их недостатком.

Известны также двигатели, в которых эффективность работы увеличивается за счет свободно сидящей на основной части головки, что позволяет ей свободно перемещаться относительно основной части, регулируя автоматически фактическую степень расширения рабочих газов в зависимости от нагрузки. К таким решениям относится двигатель, который является прототипом заявленного [2]. Но эффективность работы двигателя также не высока, в следствии, не полного использования перепада температуры и давлений рабочего тела, а также потерь при газообмене.

Задача, положенная в основу заявляемого технического решения, заключается в создании теплового двигателя с повышенными эффективными показателями.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, в тепловом двигателе с внешним подводом теплоты, содержащем один расширительный и один компрессионный цилиндры, в каждом из которых размещен поршень, связанный механизмом преобразования движения с валом двигателя, и снабженные впускным и выпускным органами, расширительную магистраль с нагревателем, которая подключена к впускному органу расширительного цилиндра и выпускному органу компрессионного цилиндра, и компрессионную магистраль с охладителем, которая подключена к выпускному органу расширительного цилиндра и впускному органу компрессионного цилиндра, механизмы управления выпускным и впускным органами расширительного цилиндра, последний из которых содержит штангу связанную через коромысло с впускным органом, согласно предлагаемому техническому решению впускной орган компрессионного цилиндра и выпускной орган расширительного цилиндра выполнены в поршнях, механизм управления впускным органом расширительного цилиндра содержит зацеп, выполненный в поршне, и крюк, выполненный на штанге, причем на штанге и со стороны расширительного цилиндра сделаны наклонные встречно-параллельные поверхности, а механизм управления выпускным органом расширительного цилиндра состоит из фиксатора - открытого и закрытого положений, выполненного в поршне, и толкателя, установленного в нижней части цилиндра.

Двигатель снабжен механизмом управления фазой газораспределения впускного органа расширительного цилиндра, в зависимости от разности давлений между расширительной и компрессионной магистралями.

Расширительные и компрессионные цилиндры расположены поочередно.

Перечисленная совокупность признаков позволяет по сравнению с прототипом повысит эффективность работы заявляемого двигателя в следствии наиболее полного использования перепада температур и давлений во всем диапазоне нагрузок и уменьшения потерь при газообмене.

Выполнение впускного органа компрессионного цилиндра и выпускного органа расширительного цилиндра в поршнях, позволит сделать геометрические характеристики впускных и выпускных органов максимальных размеров, и в следствии чего, максимально уменьшить сопротивление при впуске и выпуске рабочего тела. Механизм управления впускным органом расширительного цилиндра позволит открывать впускной орган в начале такта расширения, и тем самым исключить потери на компрессию нагретого рабочего тела. А механизм управления выпускным органом расширительного цилиндра позволит автоматически держать открытым выпускной орган во время всего такта выпуска, и тем самым наиболее полно очищать цилиндр от отработавшего рабочего тела.

Механизмом управления фазой газораспределения впускного органа расширительного цилиндра позволит регулировать продолжительность открытия органа, и тем самым сохранить эффективность работы двигателя в широком интервале нагрузки.

На эффективные показатели двигателя влияет объем расширительной магистрали. Чем меньше ее объем, тем выше динамические качества двигателя. Поэтому для максимального сокращения ее объема, цилиндры расположены поочередно.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение не известно из уровня техники что свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Сущность заявляемого изобретения для специалиста не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Возможность использования заявляемого изобретения в промышленности позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "промышленная применимость".

На фиг. 1 - представлена схема двигателя; на фиг. 2 - механизм управления впускным органом расширительного цилиндра; на фиг. 3 - диаграмма термодинамического цикла двигателя.

Тепловой двигатель с внешним подводом теплоты, содержит один расширительный 1 и один компрессионный 2 цилиндры, в каждом из которых размещен поршень 3 и 4, связанные механизмом преобразования движения в виде косой шайбы 5 с валом 6 двигателя, расширительную магистраль 7 с нагревателем 8, которая подключена к впускному органу 9 расширительного цилиндра 1 и выпускному органу 10 компрессионного цилиндра 2, и компрессионную магистраль 11 с охладителем 12, которая подключена к выпускному органу 13 расширительного цилиндра 1 и впускному органу 14 компрессионного цилиндра 2. Выпускной орган 9 расширительного цилиндра 1 и впускной орган 14 компрессионного цилиндра 2 выполнены в поршнях 3 и 4. Механизм управления впускным органом 9 расширительного цилиндра 1 содержит штангу 15 связанную через коромысло 16 с впускным органом 9, зацеп 17, выполненный в поршне 3, и крюк 18, выполненный на штанге 15, причем на штанге 15 и со стороны расширительного цилиндра 1 сделаны наклонные встречно-параллельные поверхности 19 и 20, а к штанге подключена пружина 21 в направлении действия к наклонной поверхности 19 на цилиндре 1. Механизм управления выпускным органом 13 расширительного цилиндра 1 состоит из фиксатора 22, открытого и закрытого положений, выполненного в поршне 3, и толкателя 23, установленного в нижней части цилиндра 2. Механизм управления 24 фазой газораспределения впускного органа 9 расширительного цилиндра 1, в зависимости от разности давлений между расширительной 7 и компрессионной 11 магистралями, состоит из двух поршней 25 и 26, размещенных в цилиндрах 27 и 28 и связанных между собой через шток 29, на котором выполнена наклонная поверхность 20 со стороны расширительного цилиндра 1 с изменяемой высотой уклона, один из цилиндров 27 подключен к расширительной магистрали 7, а другой 28 - к компрессионной 11, кроме того, в последнем цилиндре 28 размещена компенсационная пружина 30. Расширительный 1 и компрессионный 2 цилиндры расположены поочередно.

Двигатель работает следующим образом. При движении поршня 4 компрессионного цилиндра 2 от ВМТ к НМТ, под действием разности давлений между компрессионной магистралью 11 и компрессионным цилиндром 2, автоматически открывается впускной орган 14 и осуществляется впуск рабочего тела в компрессионный цилиндр 2. Процесс впуска рабочего тела в компрессионный цилиндр 2 заканчивается в НМТ и впускной орган 14 закрывается. И при движении поршня 4 к ВМТ рабочее тело сжимается. В процессе сжатия рабочее тело охлаждается охладителем 12. А выпускной орган 10 автоматически открывается под действием разности давлений в компрессионном цилиндре 2 и расширительной магистрали 7. Это процесс показан на фиг. 3 линией 2-1. Рабочее тело поступает в расширительную магистраль 7. В положении поршня 3 расширительного цилиндра 1 в ВМТ происходит зацепление крюка с зацепом 17 и при движении поршня 3 к НМТ, через штангу 15 и коромысло 16 осуществляется открытие впускного органа 9. Нагретое рабочее тело нагревателем 8 поступает в расширительный цилиндр 1 из расширительной магистрали 7, где совершает полезную работу, показанную на фиг. 3 линией 2-3. Наклонные поверхности 19 и 20, соответственно на штанге 15 и на расширительном цилиндре 1, приходят во взаимодействие, и отключают крюк 18 от зацепа 17. Оставшееся рабочее тело в расширительном цилиндре 1 совершает полезную работу, показанную на фиг. 3 линией 3-1, используя весь перепад температур и давлений. У НМТ выпускной орган 13 расширительного цилиндра 1 приходит во взаимодействие с толкателем 25 и переводится в открытое положение, в котором фиксируется при помощи фиксатора 22. При движении поршня 3 к ВМТ осуществляется выпуск отработавшего рабочего тела в компрессионную магистраль 11. В ВМТ выпускной орган 13 приходит во взаимодействие с ВМТ расширительного цилиндра 1 и выпуск отработавшего рабочего тела заканчивается. Цикл повторяется.

Для наиболее полного использования перепада температур и давлений во всем диапазоне нагрузок, количества рабочего тела совершающего полезную работу в расширительном цилиндре 1 и выталкиваемого из компрессионного цилиндра 2 должны быть равны количеству рабочего тела в любом из цилиндров 1 и 2, при температуре и давлении холодильника. Поэтому, для автоматического поступления постоянного количества рабочего тела в расширительный цилиндр 1, двигатель снабжен механизмом управления 24 фазой газораспределения выпускного органа 9 расширительного цилиндра 1, в зависимости от разности давлений между расширительной 7 и компрессионной 11 магистралями, показанного на фиг. 2.

Механизмом управления 24 фазой газораспределения работает следующим образом. Продолжительность фазы угла открытия впускного органа 9 расширительного цилиндра 1 зависит от высоты между наклонными поверхностями 19 и 20. Поэтому наклонная поверхность 20 со стороны расширительного цилиндра 1 выполнена с изменяемой высотой уклона. Разность давления между расширительной 7 и компрессионной 11 магистралями воздействует соответственно через поршни 25 и 26 на шток 29 и компенсируется компенсационной пружиной 30, подобранной таким образом, что высота уклона наклонной поверхности 20 соответствует требуемой продолжительности фазы угла открытия впускного органа 9 расширительного цилиндра 1. На фиг. 3 точками 3, 3' и 3" показаны примеры момента закрытия впускного органа 9.

Использование: в двигателестроении, а именно при проектировании двигателей с внешним подводом теплоты. Сущность изобретения: выпускной и впускной органы расширительного и компрессионного цилиндров соответственно выполнены в поршнях. Механизмы управления упомянутыми органами содержат зацеп и фиксатор, выполненные в поршнях. Двигатель снабжен механизмом управления фазой газораспределения впускного органа расширительного цилиндра. Расширительные и компрессионные цилиндры расположены в поочередном порядке. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловой двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий по меньшей мере один расширительный и один компрессионый цилиндры, в каждом из которых размещен поршень, связанный механизмом преобразования движения с валом двигателя, и снабженные впускным и выпускным органами, расширительную магистраль с нагревателем, которая подключена к впускному органу расширительного цилиндра и выпускному органу компрессионного цилиндра, и компрессионную магистраль с охладителем, которая подключена к выпускному органу расширительного цилиндра и впускному органу компрессионного цилиндра, механизмы управления выпускным и впускным органами расширительного цилиндра, последний из которых содержит штангу, связанную через коромысло с впускным органом, отличающийся тем, что впускной орган компрессионного цилиндра и выпускной орган расширительного цилиндра выполнены в поршнях, механизм управления впускным органом расширительного цилиндра содержит зацеп, выполненный в поршне, и крюк, выполненный на штанге, причем на штанге и со стороны расширительного цилиндра сделаны наклонные встречно-параллельные поверхности, а механизм управления выпускным органом расширительного цилиндра состоит из фиксатора открытого и закрытого положений, выполненного в поршне, и толкателя, установленного в нижней части цилиндра. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что снабжен механизмом управления фазой газораспределения впускного органа расширительного цилиндра в зависимости от разности давлений между расширительной и компрессионной магистралями. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что расширительные и компрессионные цилиндры расположены поочередно.