ДВИГАТЕЛЬ "ДИЗЕЛЬ-СТИРЛИНГ" Российский патент 1999 года по МПК F02G1/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, и предназначено для использования, в первую очередь, на транспортных средствах: автомашинах, мотоциклах. Может найти применение и как стационарный двигатель, например, для получения электроэнергии в глухих местах.

Двигатель Дизель- Стирлинг (далее просто ДС) является двухтактным поршневым двигателем внешнего сгорания, работающим на газовом топливе. Из названия видно, что двигатель ДС объединяет полезные черты обеих конструкций, получился гибрид с очень высоким КПД(= 0,7, не меньше), лишенный недостатков как дизеля (грязный выхлоп, много шума, низкий КПД), так и Стирлинга (огромное давление и связанная с ним сложность конструкции).

В оптимальном варианте - это двигатель с тремя цилиндрами, "трехфазным" коленвалом и источником теплоты, помещенным прямо в камеры сжатия цилиндров. Получился двигатель ДВ мощностью от 2 до 200 л.с., годный для всех видов транспорта.

Двигатель внешнего сгорания содержит охлаждаемый цилиндр с поршнем, камеру сжатия, нагреватель и коленчатый вал. Камера сжатия является одновременно нагревателем и сообщается с цилиндром отверстием, через которое нагнетается поршнем рабочее тело с предварительным прогревом до 600К (полученных за счет адиабатного сжатия) в камеру сжатия. Здесь от сообщенной теплоты рабочее тело нагревается до 700К, от чего в камере повышается давление до 10 и более атмосфер, которое и реализуется при рабочем ходе поршня. Коленчатый вал имеет три колена, через 120^o каждое, что позволяет эффективно использовать рабочий ход поршня: его ход совершается от 30^o за верхней мертвой точкой до 150^o и действует при самом выгодном положении пары шатун-колено.

Конструктивная схема и работа двигателя поясняются фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 показано:
а) цилиндр 1 и камера сжатия - нагреватель 3 в разрезе, перпендикулярном оси О₁-О₂ коленвала 13; V_p - диаграмма цилиндра двигателя, по которой определили η ≈ 0,7,
в) схема самого двигателя с газовой горелкой 14, камерой сжатия - нагревателем 3, жаровой трубой 6, теплозащитным капотом 5, монтажной плитой 7.

Отверстие 8 связывает нагреватель 3 с рабочим объемом цилиндра 1. Нагреватель 3 заполнен нержавеющей проволокой 4 для обеспечения нагревания сжатого воздуха, подаваемого поршнем 2 в камеру сжатия - нагреватель 3.

Коленвал 13 связан с поршнями шатунами 12, каждый шатун за свою шейку колена: I-й за I-ю, II-й за II-ю и III-й за III-ю "трехфазного" коленвала, то есть такого, у которого колена расположены через 120^o поворота вала (см. фиг.1, позиция 17).

Маховик 15 нужен для запуска двигателя в заданном направлении, так как ДС совершенно одинаково работает как в одну сторону, так и в другую.

Горячая головка двигателя закрыта теплозащитным капотом 5 с каналом отвода продуктов сгорания 11.

На фиг. 2 показано:
а) головка двигателя в разрезе по оси коленвала, где видно устройство жаровой трубы 6 (собрана из коротких отрезков, чтобы тепловое расширение не разрушило трубу), три цилиндра 1, стоящие в один ряд, три камеры сжатия 3, одновременно являющиеся нагревателями, получающие теплоту от жаровой трубы с помощью проволочной набивки 4.

б) Монтажная плита 7 в плане с местами 18 установки цилиндров и нагревателей на плите с помощью болтовых отверстий 19.

Работает ДС следующим образом.

Зажигаем горелку 14 и прогреваем нагреватель 3 с набивкой 4 до Т₁≈700 К. Затем запускаем двигатель, вращая маховик 15. Колена вала двигают поршни: I-й вниз, у него рабочий ход, II-й "стоит" у НМТ (в цилиндре идет охлаждение рабочего тела и снижение давления до Т_a = 330К и P_a = 1 атм), III-й заканчивает сжатие, загоняя весь объем холодного воздуха в камеру сжатия 3. Сжатие идет по адиабате, нагревание от сжатия сообщается сжимаемому воздуху. Степень сжатия ε = 6, давление P_c = 6 атм. Сжатое поршнем рабочее тело до Т_c≈600К подвергается в камере нагревателя дальнейшему прогреву - ему сообщается теплота Q₁, температура поднимается до T_z≈700К, давление P_z≈12 атм, 30^o до ВМТ + 30^o после ВМГ поршень почти стоит на месте. Его перемещение составляет h₀ - малую часть хода поршня. Практически рабочий ход начинается от 210^o и продолжается до 330^o поворота коленвала. Как видно на схеме 16 (фиг. 1), - это наивыгоднейшие для рабочего хода положения шатун-колено, когда наиболее продуктивно используется давление поршня.

Изобарное расширение Z₁-Z₁₁ (фиг.1а) продолжается до половины хода поршня. Затем вступает в действие охлаждение и давление падает до P_b ≈ 2 атм. В конце рабочего хода поршень приходит в HMT, где окончательно выравнивается давление с помощью отверстия 9 до P₀ = 1 атм. Закончив рабочий ход в 1 цилиндре, тот же путь проделает поршень II-го, за ним III-го. Все 360^o поворота коленвала происходят при постоянном давлении поршня P_e ≥10 атм. Вращение вала будет ровное и бесшумное. Прогрев нагревателя 3 совершается непрерывно, а отдача теплоты рабочему телу - только периодически. Теплота Q₁, полученная рабочим телом в нагревателе 3, доведет его давление до ≈12 атм, которое и будет реализовано в рабочем ходе поршня. Совсем как в двигателе Стирлинга, только проще, без дополнительных механизмов и устройств. Даже регенерация частично присутствует (адиабатическое сжатие происходит в горячей части цилиндра и теплота сжатия остается у рабочего тела, в камере сжатия-нагревателе 3, имеющем более высокую температуру, чем газ).

В нижней части цилиндра теплота Q₂ < Q₁ будет отдана через ребра охлаждения 10 внешней среде, и рабочее тело возвратится в исходное состояние: Т₂ = 330К и P₂ = 1 атм. Цикл завершен.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, и позволяет повысить эффективность теплового двигателя. Двигатель предназначен, в первую очередь, для использования на транспортных средствах: автомашинах, мотоциклах. Может найти применение и как стационарный двигатель, например, для получения электроэнергии в глухих местах. Двигатель объединяет в себе положительные свойства дизеля и двигателя Стирлинга, имея при этом существенно более простую конструкцию. Работает на природном газе, производит меньше шума и не токсичен, отличается плавным вращением и высоким КПД. Двигатель содержит охлаждаемый цилиндр с поршнем, камеру сжатия, нагреватель с проволочной набивкой, жаровую трубу, теплозащитный капот и коленчатый вал. Камера сжатия является одновременно и нагревателем и сообщается с цилиндром отверстием, через которое в нее нагнетается поршнем рабочее тело. Здесь от сообщенной рабочему телу теплоты повышается давление, которое реализуется при рабочем ходе поршня. Коленчатый вал имеет три колена, расположенные через 120^o каждое. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внешнего сгорания, содержащий охлаждаемый цилиндр с поршнем, камеру сжатия, нагреватель и коленчатый вал, отличающийся тем, что камера сжатия является одновременно нагревателем и сообщается с цилиндром отверстием, через которое нагнетается поршнем рабочее тело с предварительным прогревом до 600 K (полученных за счет адиабатного сжатия) в камеру сжатия, где от сообщенной ему теплоты нагревается до 700 K, отчего в камере повышается давление до 10 и более атмосфер, которое и реализуется при рабочем ходе поршня. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что коленчатый вал имеет три колена, через 120^o каждое, это позволяет эффективно использовать рабочий ход поршня, его ход совершается от 30^o за верхней мертвой точкой до 150^o и действует при самом выгодном положении пары шатун - колено.