ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО НАГРЕВАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится в двигателестроению и предназначено для использования в двигателях Стирлинга.

Известен двигатель внешнего нагревания по а.с. СССР 855241, заявитель Куйбышевский авиационный институт. Двигатель внешнего нагревания содержит пару двухстенных цилиндров, внутренние оболочки которых выполнены в виде сильфонов, а наружные - в виде цилиндрических оболочек с патрубками для подвода и отвода рабочего тела. Применение сильфонов частично решает проблему герметизации рабочего тела, но они недостаточно долговечны. Учитывая, что двигатель имеет тем больший КПД, чем выше давление и температура рабочего тела, то с увеличением этих параметров ресурс работы сильфонов резко уменьшается. Предложенный двигатель может работать только при низких КПД и ограниченный период времени. После разрушения сильфона стоимость его ремонта соизмерима со стоимостью изготовления нового двигателя.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты по а.с. СССР 1275104, у которого рабочий и вытеснительный поршни расположены в разных цилиндрах. Недостаток: необходимость герметизации штоков обоих поршней. В связи с тем, что никакие уплотнения не обеспечивают абсолютной герметизации, при длительной эксплуатации будет происходить утечка дорогостоящего рабочего тела. Необходима постоянная подпитка цилиндров двигателя рабочим телом. Это делает двигатель неудобным в эксплуатации и снижает его КПД.

Известен двигатель внешнего нагревания по а.с. СССР 850884 (прототип), содержащий по меньшей мере один цилиндр, нагреватель, регенератор, холодильник, соединяющие их магистрали, рабочий и вытестнительный поршни и механизм преобразования поступательного движения во вращательное, например коленвал. Этот двигатель требует герметизации по штокам поршней для предотвращения утечек рабочего тела в картер двигателя и атмосферу. При высоких давлениях и температурах это довольно проблематично.

Задачами создания изобретения является увеличение КПД двигателя за счет полной ликвидации утечек рабочего тела.

Указанная задача достигнута за счет того, что в двигателе внешнего нагревания, содержащем по меньшей мере один цилиндр, нагреватель, регенератор, холодильник, соединяющие их магистрали, рабочий и вытеснительный поршни и механизм преобразования поступательного движения во вращательное, каждый цилиндр выполнен с возможностью перемещения, установлен внутри магнита или электромагнита и соединен с механизмом преобразования поступательного движения во вращательное. Возможен вариант исполнения, когда рабочий и вытеснительный поршни выполнены как одно целое (комбинированный поршень).

Все цилиндры выполнены абсолютно герметично и установлены в направляющих. Предпочтительно механизм преобразования поступательного движения во вращательное выполнить в виде коленвала.

В магистрали, соединяющей нагреватель, регенератор и холодильник, могут быть установлены сильфоны.

Электромагнит может питаться электроэнергией от генератора, установленного на одной оси с коленвалом.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где
на фиг. 1 приведен одноцилиндровый двигатель,
на фиг. 2 - трехцилиндровый двигатель.

Двигатель внешнего нагревания (фиг. 1) содержит цилиндр 1, нагреватель 2, регенератор 3, холодильник 4, соединительные магистрали 5, рабочий поршень 6, вытеснительный поршень 7, механизм преобразования поступательного движения во вращательное (коленвал) 8, магнит или электромагнит 9, направляющие цилиндра 10.

На фиг. 2 приведен вариант трехцилиндрового двигателя, содержащий дополнительно сильфоны 11 в соединительных магистралях 5 и генератор 12, соединенный силовыми кабелями 13 с электромагнитами 9. Кроме того, вместо рабочего и вытеснительного поршней 6 и 7 использован один (для каждого цилиндра) универсальный поршень 14.

Двигатель внешнего нагревания работает следующим образом (фиг. 1).

При подводе тепла к нагревателю 2 горячее рабочее тело толкает цилиндр 1 вверх, т.к. рабочий поршень 6 удерживается на месте магнитом (электромагнитом) 9. После вытеснения рабочего тела из холодной полости в горячую массивный вытеснительный поршень 7 перекрывает каналы соединительной магистрали 5 и отсекает доступ рабочего тела в холодильник 4. Далее вытеснительный поршень 7 какое-то время движется с цилиндром 1 вверх и сжимает рабочее тело, размещенное между рабочим 6 и вытеснительным 7 поршнями. Цилиндр 1 достигает своей верхней мертвой точки ВМТ и начинает идти вниз, а массивный вытеснительный поршень 7 продолжает двигаться вверх и сжимает рабочее тело, в котором накапливается реактивная энергия. Рабочий поршень 6 идет в относительном движении вверх (на самом деле он стоит) и достигает нижней мертвой точки НМТ цилиндра. При этом он вытесняет рабочее тело из горячей полости через нагреватель 2, рененератор 3 и холодильник 4 в холодную (нижнюю) полость цилиндра 1.

Затем вытеснительный поршень 7 движется в относительном движении (по отношению к цилиндру) вниз.

Затем цикл повторяется.

Двигатель (фиг. 2) работает аналогично, но циклы каждого цилиндра сдвинуты на 120 градусов. Сильфоны 11 позволяют не перемещать нагреватель 2, регенератор 3 и холодильник 4 вместе с цилиндром 1. Генератор 12 по силовым кабелям осуществляет питание электромагнитов 9. Кроме того, как уже отмечалось, вместо рабочего и вытеснительного поршней 6 и 7 применен универсальный поршень 14.

В предложенной конструкции (во всех вариантах) цилиндры абсолютно герметичны, благодаря этому достигается предотвращение утечек рабочего тела и повышается КПД двигателя. Отпадает необходимость подпитки рабочим телом, т. е. двигатель упрощается в эксплуатации и может работать годами без присутствия обслуживающего персонала.

Заявленный двигатель можно выполнить с нагрузкой на коленчатый вал, а не на систему шестеренок, шатунов и рычагов, как это всегда делалось. А это уже сердце для автомобильного двигателя!
Теоретически рассчитанный КПД почти вдвое превышает КПД ДВС. Конструкцию можно выполнить компактно, что является важнейшим условием ее установки на автомашину. Опытные образцы двигателей Стирлинга ведущих зарубежных фирм хотя и работоспособны, но они занимают все подкапотное пространство моторного отсека легкового автомобиля и тяжелее ДВС в 2 раза.

Перспективно также использование двигателя для производства электроэнергии в отдаленных районах при работе на местном сырье или в качестве резервных станций в больницах, радио- и телецентрах, в аэропортах и военных объектах.

Предложенная схема позволяет повысить мощность и скорость вращения коленвала, надежность двигателя за счет уменьшения градиента температур по длине цилиндра и рабочего поршня, уменьшения утечек через уплотнения между поршнями и полостями цилиндров и полной ликвидации внешних утечек рабочего тела.

Новая конструкция обеспечивает демпфирование ударных нагрузок.

Основное преимущество разработанной конструкции - это высокий КПД. Повышение КПД в свою очередь уменьшает эмиссию токсичных продуктов (окислов азота и углерода) на единицу мощности. Двигатель способен работать и при малых степенях сжатия, создает меньше шума и вибраций, проще в эксплуатации и изготовлении, пожаро- и взрывобезопасен, имеет колоссальный, практически безграничный ресурс работы.

Автором заявлено бесчисленное множество вариантов конструктивного выполнения двигателя как по количеству цилиндров, так и по конструкции в объеме 5 пунктов формулы изобретения.

Возможна, например, установка нагревателя, регенератора и холодильника жестко на цилиндре. Проработан также вариант неподвижного размещения нагревателя, регенератора и холодильника на основании двигателя (основание не показано) и применение связи этих агрегатов с цилиндром при помощи сильфонов.

Возникают различные варианты при использовании в двигателях постоянных магнитов или электромагнитов. В первом варианте двигатель будет компактнее, но необходимы очень сильные магниты.

В зависимости от назначения двигатель может быть изготовлен или очень малых размеров, например для игрушек и моделей, или очень большим: для кораблей, подводных лодок и тепловых электростанций. Возможно создание ДВН с поршнями диаметром в несколько метров. ДВС с такими размерами в принципе не могут быть созданы, так как процесс горения в них носит взрывной характер и сопровождается ударными нагрузками. В двигателях внешнего нагревания тепло подводится медленно и процесс его подвода легко регулируется. Процесс сжигания независимо от режима работы двигателя можно осуществлять в оптимальном с точки зрения полноты сгорания режиме. Это потребует усложнения топливных форсунок и использования ЭВМ для управления соотношением расходов топлива и воздуха, но в современных условиях технически осуществимо.

Один из вариантов двигателя может работать и без топлива, например на энергии солнечных лучей или на разнице температур на поверхности воды и в глубине водоема. А это - бесплатная энергия, причем полученная в результате экологически чистых процессов.

Наибольший интерес представляет применение "Стирлингов" для выработки электроэнергии, то есть в качестве мотор-генератора.

Хочется отметить, что в этом случае двигатель конструктивно проще, чем дизель-генератор.

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить КПД двигателей Стирлинга за счет полного устранения утечек через штоки рабочих поршней при абсолютной герметизации цилиндров и двигателя. Двигатель внешнего нагревания содержит, по меньшей мере, один цилиндр с нагревателем, регенератором, холодильником и соединяющими их магистралями, рабочий и вытеснительный поршни и механизм преобразования поступательного движения во вращательное. Каждый цилиндр установлен с возможностью поступательного перемещения внутри магнита или электромагнита и связан с механизмом преобразования поступательного движения во вращательное. Каждый цилиндр установлен в направляющих, а магистрали оборудованы сильфонами. На одной оси с коленвалом установлен генератор, связанный силовыми кабелями с электромагнитами. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внешнего нагревания, содержащий, по крайней мере, один цилиндр с нагревателем, рекуператором, холодильником с соединительными магистралями, рабочим и вытеснительным поршнями, установленными внутри цилиндра, и механизмом преобразования поступательного движения во вращательное, отличающийся тем, что каждый цилиндр выполнен герметичным, с возможностью поступательного перемещения, установлен внутри магнитов или электромагнитов и связан с механизмом преобразования поступательного движения во вращательное. 2. Двигатель внешнего нагревания по п. 1, отличающийся тем, что рабочий и вытеснительный поршни жестко связаны или объединены в один. 3. Двигатель внешнего нагревания по п. 1 или 2, отличающийся тем, что соединительные магистрали каждого цилиндра оборудованы сильфонами, а каждый цилиндр установлен в направляющих. 4. Двигатель внешнего нагревания по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что механизм преобразования поступательного движения во вращательное выполнен в виде коленвала. 5. Двигатель внешнего нагревания по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что на одной оси с коленвалом установлен генератор, который силовыми кабелями соединен с электромагнитами.