СПОСОБ РАБОТЫ ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F01B29/10 F03C1/26 

Изобретение относится к двигателестроению и преобразованию тепловой энергии в механическую без вредных последствий для окружающей среды.

Известен способ работы пневматического двигателя, питаемого сжатым воздухом. Воздух перед использованием в двигателе смешивают с водородом и окисляют в каталитической камере, тем самым повышая его температуру [1]. Но для осуществления этого способа необходимо иметь запас сжатого воздуха и водорода, что громоздко и небезопасно.

При работе поршневого пневмодвигателя используют тепло окружающей среды, в частности воздуха [2] . Для этого воздух, находящийся в рабочей камере, охлаждают за счет впрыска в камеру хладагента. При этом давление в ней падает. Поршень под действием разности давлений перемещается, совершая полезную работу. Затем процесс заполнения рабочей камеры, впрыск хладагента, совершение полезного хода поршня и опорожнения рабочей камеры повторяются.

Принципиальным отличием этого способа является то, что процесс нагрева рабочего тела в камере двигателя и получение полезной работы за счет его расширения заменен на процесс охлаждения рабочего тела, понижения давления в нем, вследствие чего окружающая среда совершает полезную работу, сжимая рабочее тело. Поглощение тепла в камере осуществляется с помощью вводимого в камеру хладагента, являющегося аккумулятором тепла.

Для осуществления эффективной работы такого двигателя необходимо поглощать значительное количество тепла рабочего тела. В противном случае понижение температуры и давления будет незначительным, что сделает двигатель с точки зрения получения полезной работы не эффективным. Поэтому хладагент должен обладать высокой поглощающей способностью, т.е. низким теплосодержанием и низкой температурой по отношению к окружающей среде, кроме того, он должен быть экологически безвреден. В наибольшей степени для этих целей подходят криогенные жидкости - жидкий воздух, жидкий азот. Однако при испарении, т. е. в процессе поглощения тепла, пары этих жидкостей занимают значительный объем в рабочей камере из-за их низкой плотности, что приводит к общему росту давления в рабочей камере и к снижению эффективности работы двигателя.

Для преодоления этого недостатка и повышения эффективности работы такого двигателя предлагается реализовать следующий способ его работы и варианты конструкции двигателя.

На фиг. 1 представлена циклограмма рабочего процесса в камере пневмодвигателя; на фиг. 2 - циклограмма процесса получения дополнительной полезной работы при использовании в качестве рабочего тела паров хладагента; на фиг. 3 - пневмодвигатель (вариант 1); на фиг. 4 - пневмодвигатель (вариант 2).

Рассмотрим циклограмму рабочего процесса (фиг. 1).

На участке 2 - 3 (фиг. 1) камера соединена с окружающей средой и идет цикл расширения - увеличение объема камеры при постоянном давлении, затем клапан, соединяющий камеру с окружающей средой, закрывают и в полость, окружающую камеру, впрыскивают жидкий хладагент.

Через стенки камеры тепло от рабочего тела переходит к хладагенту, давление в камере падает по изохоре 3-4 и поршень под действием давления окружающей среды начинает двигаться в обратном направлении, совершая полезную работу и уменьшая объем рабочей камеры. Если бы этот процесс был адиабатическим, то процесс пошел бы по адиабате 4-1 и полезная работа определялась бы площадью фигуры, образованной точками 2-3-4-1. Но так как между камерой и полостью осуществляется теплообмен, процесс идет по изотерме 4-1'.

На участке 1' - 2' осуществляется выхлоп рабочего тела из камеры.

При таком способе работы двигателя отсутствует вредное влияние испарившегося хладагента на величину разрежения в камере, т. к. пары хладагента в камеру не попадают. Кроме того, т. к. рабочий ход осуществляется с отведением тепла, в цикле можно получить большую работу (площадь участка, образованная точками 2'- 3' - 4' - 1' на фиг. 1).

Но, кроме этого, можно получить дополнительную работу, используя испарившийся хладагент в другом пневматическом двигателе в качестве рабочего тела. В подтверждение этого рассмотрим циклограмму, представленную на фиг. 2.

В точке 1 в полости, окружающей рабочую камеру, давление равно атмосферному. В момент впрыска хладагента на участке 1 - 2 давление растет за счет подвода тепла из камеры и испарения жидкого хладагента. Затем из полости испарившийся хладагент под давлением p₂ поступает в камеру второго пневмодвигателя и адиабатически расширяется. Если расширение хладагента происходит во время цикла сжатия в первом пневмодвигателе, то происходит теплообмен между рабочим телом первого пневмодвигателя и хладагентом, в результате чего при расширении пары хладагента расширяются изотермически (участок 2 - 3'). На участке 3' - 4' открывается выпускной клапан второго пневмодвигателя и давление в его камере становится равным атмосферному (точка 4'). После чего хладагент выбрасывается в атмосферу (участок 4' - 1). Дополнительная полезная работа определяется площадью фигуры, образованной точками 2 - 3'- 4'- 1. Таким образом, технический результат, достигнутый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности работы пневмодвигателя за счет увеличения степени разрежения в рабочей камере и возможности использования паров хладагента для получения дополнительной работы.

В качестве устройства, реализующего описанный выше способ, предлагается пневмодвигатель, схема которого приведена на фиг.3 (вариант 1).

Двигатель состоит из камеры 1, клапана 2 для впуска и выпуска рабочего тела, поршня 3, шатуна 4, кривошипа 5, образующих кривошипно-шатунный механизм, форсунки 6 для впрыска хладагента, замкнутой полости 7, окружающей камеру 1, впускного канала 8, соединяющего полость 7 с объемом 9 камеры 1, предназначенного для испарившегося хладагента и образованного нижней крышкой 10 камеры 1 и обратной стороной поршня 3, клапана 11 для выпуска паров хладагента, маховика 12.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. В положении нижней мертвой точки поршня 3 клапаны 2 и 11 закрыты. Через форсунку 6 в полость 7 впрыскивают хладагент. Температура в полости 7 понижается, тепло от рабочего тела из камеры 1 через стенки поступает в полость 7 и хладагент испаряется. Давление в камере 1 падает, а в полости 7 растет. Под действием давления окружающей среды и паров хладагента поршень 3 движется вверх, за счет чего осуществляется поворот кривошипа 5, т. е. осуществляется рабочий ход двигателя. При выравнивании давления в камере 1, полости 7 и окружающей среде клапаны 2, 11 открываются, обеспечив возможность выброса рабочего тела и паров хладагента в окружающую среду. За счет накопленной в маховике 12 энергии при движении поршня 3 вниз при открытых клапанах 2 и 11 происходит заполнение камеры 1 новой порцией рабочего тела и выброс паров хладагента. После чего клапаны 2 и 11 закрывают и процесс повторяется.

Устройство может быть выполнено таким образом, что окружающая камеру двигателя замкнутая полость соединена с рабочей камерой другого двигателя, кинематически связанного с первым (вариант 2).

На фиг. 4 изображена схема такого устройства, состоящего из камеры 1, клапана 2 для впуска и выпуска рабочего тела, поршня 3 с шатуном 4, кривошипа 5, форсунки 6 для впрыска хладагента, полости 7, окружающей рабочую камеру 1, впускного канала 8, соединяющего полость 7 с камерой 9 для испарившегося хладагента, поршня 13 и шатуна 14, закрепленного на кривошипе 5, клапана 11 для выпуска паров хладагента из двигателя, маховика 12.

Двигатель работает следующим образом. В положении нижней мертвой точки поршня 3 и верхней мертвой точки поршня 13 клапаны 2 и 11 закрыты. Через форсунку 6 в полость 7 впрыскивают хладагент. Температура в полости 7 понижается, тепло от рабочего тела из камеры 1 через стенки поступает в полость 7 и идет на испарение хладагента. Давление в камере 1 падает, а давление в полости 7 растет. Под действием давления окружающей среды поршень 3 движется вверх, а под действием давления паров хладагента поршень 13 движется вниз, за счет чего осуществляется поворот кривошипа, т. е. рабочий ход двигателя. При выравнивании давления в камерах 1 и 9 и окружающей среде клапаны 2 и 11 открываются, обеспечив возможность выброса рабочего тела и паров хладагента в окружающую среду. За счет накопленной в маховике 12 энергии при движении поршня 3 вниз при открытом клапане 2 происходит заполнение рабочей камеры 1 новой порцией рабочего тела. В то же время при открытом клапане 11 поршень 8 движется вверх, выталкивая пары хладагента из камеры 9 в окружающую среду. После этого клапаны 2 и 11 закрывают и процесс повторяется.

Предложенные устройства позволяют не менее чем вдвое повысить эффективность работы двигателя по сравнению с прототипом.

Источники информации.

1. Серов В. И. Способ работы машины. Авторское свидетельство СССР N 663858, кл. F 01 B 23/06, 1979.

2. Буриков В. С. Способ работы поршневого пневмодвигателя. Авторское свидетельство СССР N 1818478, кл. F 01 B 23/06, 1993.

Способ работы пневмодвигателя и устройства для его реализации могут быть использованы в двигателестроении для преобразования тепловой энергии в механическую. При работе пневмодвигателя осуществляют подачу рабочего тела в камеру двигателя и его расширение, затем прекращают подачу рабочего тела в момент нахождения поршня в нижней мертвой точке и впрыскивают хладагент в замкнутую полость, окружающую камеру. При достижении поршнем верхней мертвой точки испарившийся хладагент выпускают, при этом хладагент может быть использован в качестве рабочего тела в другом пневмодвигателе. Устройство содержит камеру, поршень с кривошипно-шатунным механизмом, форсунку для впрыска хладагента, замкнутую полость, окружающую камеру и соединенную с объемом, образованным нижней крышкой камеры и поршнем. Устройство может содержать замкнутую полость, окружающую камеру и сообщенную с камерой другого пневмодвигателя, кинематически связанного с первым. Изобретение обеспечивает эффективное преобразование тепловой энергии в механическую без вредных последствий для окружающей среды. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ работы поршневого пневмодвигателя, включающий подачу рабочего тела в камеру двигателя, его расширение, прекращение подачи рабочего тела в момент нахождения поршня в нижней мертвой точке (НМТ) и впрыск хладагента, возобновление подачи рабочего тела при достижении поршнем верхней мертвой точки (ВМТ), отличающийся тем, что хладагент впрыскивают в окружающую камеру замкнутую полость, а при достижении поршнем ВМТ испарившийся хладагент выпускают. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что испарившийся хладагент используют в качестве рабочего тела в другом пневмодвигателе. 3. Устройство для реализации способа работы пневмодвигателя, состоящее из камеры с клапаном для впуска и выпуска рабочего тела, поршня с кривошипно-шатунным механизмом и форсунки для впрыска хладагента, отличающееся тем, что форсунка расположена в окружающей камеру замкнутой полости, соединенной с объемом, образованным нижней крышкой камеры и обратной стороной поршня пневмодвигателя. 4. Устройство для реализации способа работы пневмодвигателя, состоящее из камеры с клапаном для впуска и выпуска рабочего тела, поршня с кривошипно-шатунным механизмом и форсунки для впрыска хладагента, отличающееся тем, что форсунка расположена в окружающей камеру замкнутой полости, соединенной каналом с камерой другого пневмодвигателя, кинематически связанного с первым.