ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ Российский патент 2000 года по МПК F02G1/43 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к тепловым двигателям с внешним подводом теплоты, и может быть использовано в автомобилестроении, а также в качестве двигательных устройств морского и речного транспорта.

Главная проблема при конструировании данных двигателей - это повышение КПД.

Основные пути решения этой проблемы - приближение циклов двигателей к циклу Карно и утилизация тепловых потерь.

Почти все тепловые двигатели работают при переменных нагрузках, причем диапазон изменения нагрузок нередко очень широк. В то же время тепловые двигатели, строго говоря, имеют лишь один наивыгоднейший режим, при всяком отклонении от которого экономичность двигателя ухудшается. Из этого положения есть два выхода: усовершенствование методов регулирования и аккумулирование энергии.

Если рассматривать проблему в совокупности с потребителем мощности теплового двигателя, тогда потери можно уменьшить оптимальным распределением передаточных чисел трансмиссии для максимального соответствия работы двигателя в наивыгоднейшем режиме. Но в коробках передач современных автомобилей как с автоматическим, так и с ручным переключением реализуется лишь ограниченный набор передаточных чисел. Вследствие этого невозможно добиться абсолютно полного соответствия режима работы двигателя в наивыгоднейшем режиме.

Известен двигатель, содержащий по меньшей мере один цилиндр, в котором размещен поршень, связанный механизмом преобразования движения с валом двигателя, снабженный впускным и выпускным органами, причем в впускной орган ввернут стержень, который при положении поршня вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) поднимает впускной клапан и таким образом осуществляется газораспределение в двигателе (заявка Великобритания N 2214574, МКИ F 01 L 11/00, 1988 г.). Наиболее экономичный режим работы двигателя находится в узком интервале нагрузки вследствие отсутствия управления фазой газораспределения. Но двигатель не до конца использует перепад давления и температуры.

Известен двигатель, состоящий из совместно скомпонованных поршневого компрессора, камеры сгорания и поршневой расширительной машины, работающий по циклу Брайтона. Газораспределение обеспечивается вращающимся цилиндрическим золотником. Компрессор приводится от расширительной машины через зубчатую передачу с регулируемым передаточным числом. Поршень расширительной машины имеет свободно сидящую на основной части головку, что позволяет ей свободно перемещаться относительно основной части, регулируя автоматически фактическую степень расширения рабочих газов в зависимости от нагрузки (патент США N4864814, МКИ F 01 B 1/06, F 01 L 33/02, 1988 г.). Экономичный режим работы двигателя находится в более широком интервале нагрузки за счет регулирования степени расширения, и двигатель наиболее полно использует перепад давлений, но не до конца использует перепад температур.

Известен также двигатель, принятый за прототип, работающий по циклу с изотермным сжатием и адиабатным расширением, содержащий, по меньшей мере, один расширительный и один компрессионный цилиндры, расположенные в поочередном порядке, 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, причем впускной орган компрессионного цилиндра и выпускной орган расширительного цилиндра выполнены в поршнях, а впускной орган расширительного цилиндра снабжен механизмом управления фазой газораспределения в зависимости от разности давлений между расширительной и компрессионной магистралями (патент России N 2105156, МКИ F 01 B 3/02, оп. 1998, Б.И. 5). Двигатель наиболее полно использует перепад давлений и температур за счет применения цикла с изотермным сжатием и адиабатным расширением. Но функциональные возможности двигателя не полностью раскрыты вследствие ограниченных возможностей механизма управления фазой газораспределения.

Задача, положенная в основу заявляемого технического решения, заключается в создании теплового двигателя с расширенными функциональными возможностями. А именно, во-первых, создание возможности работы двигателя в режиме теплового насоса, что позволит в режиме торможения возвращать энергию и запасать ее для последующего использования. Во-вторых, создание возможности запуска беспринудительным способом, что позволит отказаться от стартерного устройства и устройства выключения сцепления двигателя с исполнительным механизмом, а также от работы двигателя в холостом режиме. В-третьих, создание возможности вращения вала двигателя в любом направлении, что позволит отказаться от устройства изменения направления этого вращения. В совокупности отказ от части передаточных устройств позволит повысить экономичность и уменьшить материалоемкость устройства, обслуживаемого двигателем.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что тепловой двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий, по меньшей мере, один расширительный и один компрессионный цилиндры, расположенные в поочередном порядке, в каждом из которых размещен поршень, связанный механизмом преобразования движения с валом двигателя, и снабженные впускным и выпускным органами, причем впускной орган компрессионного цилиндра и выпускной орган расширительного цилиндра выполнены в поршнях, 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 впускным и выпускным органами расширительного цилиндра, согласно предлагаемому техническому решению дополнительно снабжен механизмами управления впускным и выпускным органами компрессионного цилиндра и тепловым аккумулятором, который подключен к нагревателю, причем механизмы управления впускными и выпускными органами расширительного и компрессионного цилиндров выполнены в виде электромагнитов.

Перечисленная совокупность признаков позволит по сравнению с прототипом расширить функциональные возможности заявляемого двигателя вследствие лучшего управления процессами в термодинамическом цикле.

Снабжение впускного и выпускного органа компрессионного цилиндра механизмами управления позволит работать двигателю в режиме теплового насоса, что в совокупности с тепловым аккумулятором позволит в режиме торможения возвратить энергию и запасти ее в тепловом аккумуляторе для последующего использования.

Выполнение механизмов управления впускными и выпускными органами расширительного и компрессионного цилиндров в виде электромагнитов позволит запускать двигатель беспринудительным способом и в любом направлении вследствие простоты и четкости управления фазами газораспределения посредством электромагнитов.

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 - диаграмма термодинамического цикла двигателя.

Тепловой двигатель с внешним подводом теплоты содержит по меньшей мере один расширительный 1 и один компрессионный 2 цилиндры, в каждом из которых размещен соответственно 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 13 расширительного цилиндра 1 и впускной орган 14 компрессионного цилиндра 2 выполнены в поршнях 3 и 4 соответственно. Механизмы управления впускными 9, 14 и выпускными 13, 10 органами расширительного 1 и компрессионного 2 цилиндров выполнены в виде электромагнитов соответственно 15, 16, 17, 18. К нагревателю 8 подключен тепловой аккумулятор 19. Расширительный 1 и компрессионный 2 цилиндры расположены поочередно.

Двигатель работает следующим образом. Теплота от теплового аккумулятора 19 подается к нагревателю 8. В зависимости от требуемого направления вращения вала 6 двигателя электромагнит 15 открывает впускной орган 9 расширительного цилиндра 1 слева или справа от верхней мертвой точки (ВМТ) косой шайбы 5 и нагретое нагревателем 8 в расширительной магистрали 7 рабочее тело, воздействуя на поршень 3, совершает полезную работу, показанную на фиг. 2 линией 2 - 3. Таким образом осуществляется запуск и первая фаза работы двигателя. Далее, в зависимости от нагрузки, на валу 6 двигателя электромагнит 15 закрывает впускной орган 9 расширительного цилиндра 1 и оставшееся рабочее тело в расширительном цилиндре 1 совершает полезную работу, показанную на фиг. 2 линией 3 - 1, используя оставшийся перепад температур и давлений. В нижней мертвой точке (НМТ) выпускной орган 13 расширительного цилиндра 1 открывает электромагнит 17. При движении поршня 3 к ВМТ осуществляется выпуск отработавшего рабочего тела в компрессионную магистраль 11. У ВМТ выпускной орган 13 приходит во взаимодействие с ВМТ расширительного цилиндра 1 и выпуск отработавшего рабочего тела заканчивается. В то же время при движении поршня 4 к ВМТ рабочее тело, находящееся в компрессионном цилиндре 2, сжимается. В процессе сжатия рабочее тело охлаждается охладителем 12. Выпускной орган 10 автоматически открывается под действием разности давлений рабочего тела в компрессионном цилиндре 2 и расширительной магистрали 7. Этот процесс показан на фиг. 2 линией 2 - 1. Рабочее тело поступает в расширительную магистраль 7. При движении поршня 4 компрессионного цилиндра 2 от ВМТ к нижней мертвой точке под действием разности давлений рабочего тела в компрессионной магистрали 11 и компрессионном цилиндре 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. Цикл повторяется.

В режиме теплового насоса двигатель работает следующим образом. Механическая работа, подаваемая на вал 6 двигателя, через механизм преобразования движения в виде косой шайбы 5 передается на поршень 3, который при движении от НМТ к ВМТ сжимает рабочее тело в расширительном цилиндре 1. В процессе сжатия рабочее тело нагревается. Этот процесс показан на фиг. 2 линией 1 - 3. Впускной орган 9 автоматически открывается под действием разности давлений в расширительном цилиндре 1 и расширительной магистрали 7. Нагретое рабочее тело передает свое тепло нагревателю 8, из которого тепло аккумулируется в тепловом аккумуляторе 19. Этот процесс показан на фиг. 2 линией 3 - 2. При движении поршня 3 расширительного цилиндра 1 от ВМТ к НМТ под действием разности давления рабочего тела в компрессионной магистрали 11 и расширительном цилиндре 1 автоматически открывается выпускной орган 13 и осуществляется впуск рабочего тела в расширительный цилиндр 1 из компрессионной магистрали 11. Процесс впуска рабочего тела в расширительный цилиндр 1 заканчивается в НМТ и выпускной орган 13 закрывается. В то же время при положении поршня 4 в ВМТ электромагнит 18 открывает выпускной орган 10 и при движении поршня 4 к НМТ рабочее тело из расширенной магистрали поступает в компрессионный цилиндр 2. В процессе впуска рабочее тело охлаждается охладителем 12. Этот процесс показан на фиг. 2 линией 2-1. В НМТ поршня 4 электромагнит 18 закрывает выпускной орган 10, а электромагнит 16 открывает впускной орган 14. При движении поршня 4 к ВМТ осуществляется выпуск рабочего тела из компрессионного цилиндра 2 в компрессионную магистраль 11. В ВМТ поршня 4 впускной орган 14 закрывается и выпуск заканчивается. Цикл повторяется.

Преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом заключаются в расширении функциональных возможностей двигателя вследствие усовершенствования системы регулирования фазы газораспределения.

Изобретение может быть использовано в автомобилестроении, а также в качестве двигательных устройств морского и речного транспорта. Тепловой двигатель с внешним подводом теплоты содержит по меньшей мере один расширительный (1) и один компрессионный (2) цилиндры, в которых размещены поршни (3), (4), связанные механизмом преобразования движения в виде косой шайбы (5) с валом (6) двигателя. Расширительная магистраль (7) с нагревателем (8) подключена к впускному органу (9) расширительного цилиндра (1) и к выпускному органу (10) компрессионного цилиндра (2). Компрессионная магистраль (11) с охладителем (12) подключена к выпускному органу (13) расширительного цилиндра (1) и впускному органу (14) компрессионного цилиндра (2). Впускной орган 13 расширительного цилиндра (1) и впускной орган 14 компрессионного цилиндра 2 выполнены в поршнях (3) и (4). Механизмы управления впускными (9), (14) и выпускными (13), (10) органами расширительного (1) и компрессионного (2) цилиндров выполнены в виде электромагнитов соответственно (15), (16), (17), (18). К нагревателю (8) подключен тепловой аккумулятор (19). Расширительный (1) и компрессионный (2) цилиндры расположены поочередно. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей двигателя вследствие усовершенствования системы регулирования фазы газораспределения. 2 ил.

1. Тепловой двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий по меньшей мере один расширительный и один компрессионный цилиндры, расположенные в поочередном порядке, в каждом из которых размещен поршень, связанный механизмом преобразования движения с валом двигателя, и снабженные впускным и выпускным органами, причем впускной орган компрессионного цилиндра и выпускной орган расширительного цилиндра выполнены в поршнях, 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 впускным и выпускным органами расширительного цилиндра, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен механизмами управления впускным и выпускным органами компрессионного цилиндра и тепловым аккумулятором, который подключен к нагревателю, причем механизмы управления впускными и выпускными органами расширительного и компрессионного цилиндров выполнены в виде электромагнитов.