СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО НАГРЕВА Российский патент 1999 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится к двигателям внешнего нагрева (сгорания) и может найти применение при проектировании высокоэкономичных, экологически чистых и "всеядных" двигателей.

Известен способ работы двигателей внешнего нагрева, например, по циклу Стирлинга, см. Г.Уокер "Машины, работающие по циклу Стирлинга". Москва, изд. Энергия, 1978 год.

Основным недостатком этого цикла является значительное "скругление" P,V диаграммы вследствие гармонического движения поршней, в результате чего площадь на P, V диаграмме, для реального цикла значительно меньше, чем для теоретического, что обуславливает снижение термодинамического КПД реального цикла.

Ближайшим аналогом является "Способ Андреева работы двигателя внешнего сгорания", описанный в а. св. N 476369 по кл. F 02 D 1/04. По этому способу осуществляют рабочий цикл в спаренных цилиндрах двойного действия со сдвигом по фазе по 180^o, где после окончания рабочего хода в первом цилиндре часть рабочего тела (р.т.) через регенератор перепускают в полость сжатия второго цилиндра, где после этого начнется рабочий ход, а в первом цилиндре - сжатие и т. д. Вследствие этого в такте сжатия участвует меньшее количество р.т., чем в такте расширения, что обеспечивает повышение КПД рабочего цикла.

Существенными недостатками описанного способа работы двигателя являются, во-первых, то, что наличие регенератора повышает гидравлическое сопротивление и увеличивает объем вредного пространства рабочего такта, что приводит к снижению эффективного КПД цикла и снижает надежность работы двигателя по этому циклу; во-вторых, то, что процессы расширения и сжатия являются политропными, а величина изохор процессов нагрева и охлаждения определяется только количеством перепускаемого р.т. в конце рабочего хода, что обуславливает сокращение площади в P,V диаграмме и повышение температуры нагрева до запредельных значений; в-третьих, то, что горячая и холодная полости расположены в общем цилиндре, поэтому для уменьшения вредного теплообмена между ними линейный размер поршня существенно превышает величину своего хода, что ведет к значительному увеличению габаритов и массы двигателя.

Предлагаемое изобретение призвано решить: задачу осуществления рабочего цикла без применения регенератора, при оптимальных температурных режимах, задачу реализации увеличения изохорных процессов нагрева и охлаждения р.т. в реальном рабочем цикле, при увеличении ее площади в P,V диаграмме без "скругления" и при приемлемых значениях температуры нагрева р.т., задачу снижения вредного теплообмена между горячими и холодными полостями (при относительном снижении массы и габаритов двигателя).

Все три вышеупомянутые задачи решаются тем, что общая штокопоршневая группа образует в двух равных по объему, оппозитно расположенных цилиндрах двойного действия, в одном - две горячие полости (поршневую и штоковую) а в другом - две холодные (поршневую и штоковую) с возможностью последовательного межцилиндрового и внутрицилиндрового газообмена поочередно, обеспечивающего рабочий процесс двигателя одновременно в обоих цилиндрах.

Для иллюстрации предлагаемого способа работы двигателя на прилагаемом чертеже показаны последовательные положения поршней штокопоршневой группы: на фиг. 1 - в позиции окончания рабочего хода, на фиг. 2 - в позиции наддува и начала подготовительного хода и на фиг. 3 - в позиции начала рабочего хода. На фиг. 4 представлена P,V диаграмма, на фиг. 5 - T,S диаграмма и на фиг. 6 - диаграмма перемещения горячего поршня (г.п.) и холодного поршня (х. п.) во времени.

Сущность описываемого способа заключается в том, что процессы работы двигателя, см. фиг. 1, 2, 3, протекают одновременно в двух равных по объемам, оппозитно расположенных цилиндрах двойного действия: горячем 1 и холодном 2, в которых расположена штокопоршневая группа, содержащая поршни 3 и 4, жестко закрепленные на общем штоке 5, кинематически связанном с силовым механизмом (на чертеже условно не показан), а все рабочие полости цилиндров и газообменных трактов заполнены под избыточным давлением газообразным рабочим телом (р.т.), например гелием, или другим газом.

Полный рабочий цикл по предлагаемому способу протекает следующим образом.

При подходе штокопоршневой группы к нижней мертвой точке, см. фиг. 1, давление р. т. в горячем цилиндре 1 будет равно давлению конца расширения, чему на диаграмме P,V, см. фиг. 4, соответствует точка I, а в холодном цилиндре 2 давление р.т. будет равно давлению конца сжатия, чему на диаграмме P, V соответствует точка IV. Так как давление в горячем цилиндре выше, чем в холодном, то после сообщения всех полостей двигателя газообразным трактом, см. фиг. 2, т.е. поршневой полости горячего цилиндра 1 со штоковой (и поршневой) полостями холодного цилиндра 2 посредством канала 6, и холодильника 7, а штоковой полости холодного цилиндра 2 со штоковой полостью горячего цилиндра 1 посредством канала 8, поэтому давление р.т. во всех полостях установится одинаковым, т.е. усреднится. На диаграмме P,V и T,S это показано отрезками II-V. Следовательно, в этот момент в холодном цилиндре окажется максимальное количество р.т. (G_max), а в горячем - минимальное (G_min).

Далее в течение всего времени подъема штокопоршневой группы, давление р. т. в процессе вытеснения его из поршневой полости горячего цилиндра 1 в поршневую полость холодного цилиндра 2 будет падать вследствие охлаждения в теплообменнике 9 (от встречного потока холодного р.т.) и в холодильнике 7, см. изохору II-III на диаграммах P,V и T,S, а давление р.т. в штоковых полостях будет расти вследствие подогрева в теплообменнике 9 от встречного потока горячего р.т., см. изохору V-VI на диаграммах P,V и T,S. (фиг. 4 и 5).

После достижения штокопоршневой группой верхней мертвой точки, см. фиг. 3, газообмен между горячим и холодным цилиндрами прекращают, поэтому при движении штокопоршневой группы вниз максимальное количество горячего р.т. (G_max) из штоковой полости горячего цилиндра 1 будет перетекать по каналам подогревателя 10 в его поршневую полость, расширяясь при постоянной температуре T_max, т.е. будет совершать полезную работу (рабочий ход), см. изотерму VI-I на диаграммах P,V и T,S (фиг. 4 и 5).

Одновременно минимальное количество холодного р.т. (G_min) будет вытесняться из поршневой полости холодного цилиндра 2 через холодильник 7 в его штоковую полость, т.е. сжиматься при постоянной температуре T_min, см. изотерму III-IV на диаграммах P,V и T,S (фиг. 4 и 5).

При достижении штокопоршневой группой нижней мертвой точки давление в горячем цилиндре 1, на диаграмме P,V, будет соответствовать точке I, а давление в холодном цилиндре будет соответствовать точке IV, т.е. система вернется в исходное положение.

Следовательно, так как в результате усреднения давления после наддува количество р.т. в холодных полостях будет больше, чем в горячих, то в такте расширения (рабочем ходе) будет участвовать большее количество р.т. в единовременно протекающем такте сжатия, что существенно повышает термодинамический КПД цикла.

Таким образом, цикл предлагаемого способа работы двигателя внешнего нагрева, см. диаграмму P,V, состоит из четырех процессов: I-II-III - процесс при постоянном объеме и уменьшении количества р.т. от G_max до G_min, при этом теплота р.т. с температурой T_max передается встречному потоку холодного р.т. и окружающей среде; III-IV - процесс изотермического сжатия минимального количества р. т. (G_min), при этом теплота от р.т. с температурой T_min передается окружающей среде; IV-V-VI - процесс при постоянном объеме и увеличении количества р.т. до максимального (G_max), при этом теплота от встречного потока горячего р. т. с температурой T_max передается рабочему телу; VI-I - процесс изометрического расширения р. т., теплота от внешнего источника с температурой T_max передается рабочему телу.

Предлагаемый способ работы двигателя внешнего нагрева может быть описан в виде 4-х последовательных тактов.

1-й такт. ВЫХЛОП-ВЫТЕСНЕНИЕ-(охлаждение р.т. до T_min при уменьшении его количества до G_min), на диаграммах P,V и T,S соответствует изохорам I-II-III.

2-й такт. СЖАТИЕ холодного G_min р.т., на диаграммах P,V и T,S соответствует изотермам III-IV.

3-й такт. НАДДУВ-ВЫТЕСНЕНИЕ-(нагрев р.т. T_max при увеличении его количества до G_max), на диаграммах P,V и T,S соответствует изохорам IV-V-VI.

4-й такт. РАБОЧИЙ ХОД (расширение G_max р.т.), на диаграммах P,V и T,S соответствует изотермам VI-I.

Процесс 1-го такта идет параллельно 3-му, т.е. они протекают во время одного хода верх, не требуя затраты мех. работы, так как действие газовых составляющих сил в цилиндрах взаимно уравновешены.

Процесс 2-го такта идет параллельно 4-му и они так же протекают во время одного хода вниз, но поскольку газовые оставляющие силы в горячем цилиндре давят на площадь штока с большей силой, чем в холодном цилиндре давят на площадь штока с большей силой, чем в холодном цилиндре, то они совершают полезную работу, двигая шток вниз.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ работы двигателя внешнего нагрева позволяет осуществить действительный термодинамический цикл, отражаемый двумя изотермами и двумя изохорами и не отличающийся от своего идеального цикла, в котором, кроме того, изохорические процессы продлены за счет термодинамического выхода I-II и наддува IV-V, см. диаграммы P,V и T, S, а также за счет того, что они протекают в течение всего хода штокопоршневой группы, равно как и процессы изотермические, поэтому эффективный КПД способа равен термодинамическому и превышает величину теоретического КПД существующих типов двигателей:
K=(T_max•G_max-T_min•G_min)/ T_max•G_max,
T_max - максимальная температура р.т., см. изотерму VI-I;
T_min - минимальная температура р.т., см. изотерму III-IV на диаграммах P,V и T,S,;
G_max - масса р.т., участвующая в процессе расширения;
G_min - масса р.т., участвующая в процессе механического сжатия.

Кроме того, для реализации рабочего процесса по предлагаемому способу работы двигателя внешнего нагрева вместо ненадежного регенератора, из встречных разнотемпературных потоков р.т. образован противочный теплообменник, более надежный в эксплуатации, а горячие и холодные полости разнесены в разные цилиндры.

Следовательно, по предлагаемому способу можно строить двигатели внешнего нагрева, превосходящие по всем абсолютным и относительным показателям все известные тепловые двигатели.

Изобретение относится к отрасли энергомашиностроения и позволяет повысить эффективность двигателей внешнего нагрева (сгорания). Оно представляет собой двухцилиндровый двигатель, снабженный единой штокопоршневой группой, размещенной в оппозитно расположенных цилиндрах двойного действия, заполненных газообразным рабочим телом с возможностью последовательного его нагрева и охлаждения. Отличием изобретения является то, что горячие и холодные рабочие полости разнесены по оппозитным поршням, а рабочий цикл организован в виде двух изохорных и двух изотермических процессов. Причем при ходе штокопоршневой группы вверх такт выхлопа-вытеснения при охлаждении рабочего тела идет параллельно такту наддува-вытеснения при нагреве рабочего тела без затраты механической работы, а такт сжатия рабочего тела идет параллельно такту рабочего хода. Устройство снабжено теплообменником со встречными потоками горячего и холодного рабочего тела. 6 ил.

Способ работы двигателя внешнего нагрева, снабженного единой штокопоршневой группой, размещенной в оппозитно расположенных цилиндрах двойного действия, сообщенных трактом газообмена и заполненных под избыточным давлением газообразным рабочим телом, путем последовательного его нагрева и охлаждения, отличающийся тем, что для устранения вредного теплообмена между горячими и холодными полостями, исключения регенератора и повышения КПД поршневая и штоковая горячие полости образованы в одном цилиндре, поршневая и штоковая холодные полости - в другом цилиндре, а рабочий цикл организован в виде четырех процессов: изохорного при уменьшении количества рабочего тела и передаче его теплоты встречному потоку холодного рабочего тела и окружающей среде; изотермического его сжатия с передачей теплоты окружающей среде; изохорного при увеличении количества рабочего тела и получении им теплоты от встречного потока горячего рабочего тела и изотермического его расширения за счет получения теплоты от внешнего источника теплоты, для чего изохорные процессы организуют одновременно посредством межцилиндрового газообмена, а изотермические процессы организуют одновременно путем внутрицилиндрового газообмена.