ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО НАГРЕВАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F02G1/43 F02G1/53 

Изобретение относится к области силовых установок и двигателей объемного вытеснения, в частности к двигателям, работающим при расширении и сжатии массы рабочего газа, который нагревается и охлаждается в одной или нескольких постоянно сообщающихся камер, например, двигателей, работающих по циклу Стирлинга.

Известен двигатель Стирлинга - преобразователь энергии прямого цикла с внешним подводом теплоты, включающий камеру сгорания и холодильник [Г.Ридер, Ч.Хупер. Двигатели Стирлинга. М.: Мир, 1986, стр.55].

Недостатком этого двигателя является относительно низкий кпд.

Известно также устройство, включающее преобразователь прямого цикла (двигатель) с электрогенератором на одном валу, линию подачи топлива, теплообменник-утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов двигателя, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя, систему охлаждения двигателя, связанную через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, кроме того, оно снабжено в качестве преобразователя прямого цикла двигателем Стирлинга, теплообменником-утилизатором высокотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга, выполненным в виде парогенератора, пароводяным насосом-подогревателем, теплообменником-утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга, теплообменником-охладителем, а также магистралью водопровода с регулирующим клапаном, разделяющейся на линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-охладитель в парогенератор, и линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга в пароводяной насос-подогреватель, магистралью пара высокого давления, идущей от парогенератора к пароводяному насосу-подогревателю, и магистралью системы горячего водоснабжения, идущей от пароводяного насоса-подогревателя, при этом магистраль отработанных газов двигателя Стирлинга последовательно проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов [RU (11) 2187680 (13) C1 (51) МПК 7 F02G 1/04, B63G 8/36, 2006].

Недостатком устройства также является относительно низкий кпд.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двигатель внешнего нагревания (альфа-модификация двигателя Стирлинга), содержащий коленчатый вал горячей группы и коленчатый вал холодной группы, группу горячих цилиндров с поршнями и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с одной стороны с горячими поршнями, а с другой стороны - с коленчатым валом горячей группы, группу холодных цилиндров с поршнями и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с одной стороны с холодными поршнями, с другой стороны - с коленчатым валом холодной группы, группу трубок, соединяющих попарно холодные и горячие цилиндры и содержащих устройство регенерации тепла, трансмиссию, соединяющую коленчатый вал горячей группы с коленчатым валом холодной группы, камеру сгорания, компрессор подачи воздуха в камеру сгорания и теплообменник [Двигатель шотландского пастора. «Двигатель», №5, 2005. www.engine.aviaport.ru/issues /39/ page 26. html].

Недостатком наиболее близкого технического решения также является относительно низкий кпд.

Требуемый технический результат заключается в повышении кпд.

Требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем коленчатый вал горячей группы и коленчатый вал холодной группы, группу пакетов горячих цилиндров с поршнями и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с одной стороны с коленчатым валом горячей группы, а с другой стороны - с крейцкопфами, штоками и с поршнями группы пакетов горячих цилиндров, группу пакетов холодных цилиндров с поршнями и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с одной стороны с коленчатым валом холодной группы, с другой стороны - с крейцкопфами, штоками и с поршнями группы пакетов холодных цилиндров, группу трубок, соединяющих попарно пакеты холодных и горячих цилиндров и содержащих устройство регенерации тепла, трансмиссию, соединяющую коленчатый вал горячей группы с коленчатым валом холодной группы, камеру сгорания, топливный насос, компрессор подачи воздуха в камеру сгорания и теплообменник, цилиндры группы пакетов горячих цилиндров с поршнями и группы пакетов холодных цилиндров с поршнями выполнены в виде параллелепипедов, а их толщина d выбирается из соотношения

где С=2.185·10^-5 - постоянная;

λ - коэффициент теплопроводности рабочего газа (воздуха);

ω - максимальная угловая скорость вращения коленчатого вала, при которой сохраняются изотермические процессы расширения-сжатия рабочего газа в цилиндрах;

С_p - удельная теплоемкость рабочего газа (воздуха) при постоянном давлении;

ρ - плотность рабочего газа (воздуха),

причем ширина цилиндров группы пакетов горячих цилиндров с поршнями и группы пакетов холодных цилиндров с поршнями выбирается из условия превышения их толщины не более чем в четыре раза.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что поршни группы пакетов горячих цилиндров и поршни группы пакетов холодных цилиндров выполнены без поршневых колец.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что группа пакетов горячих цилиндров с поршнями выполнена с теплоизоляцией.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что группа трубок, соединяющих попарно пакеты холодных и горячих цилиндров и содержащих устройство регенерации тепла, выполнена с теплоизоляцией.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что смазка трущихся поверхностей групп шатунов, штоков, крейцкопфов, коленчатых валов и трансмиссии осуществляется низкотемпературной смазкой (до 200°C).

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что смазка трущихся поверхностей горячих цилиндров и холодных цилиндров осуществляется графитовой смазкой (до 450°C).

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что шатуны групп крепятся одним концом к коленчатому валу, а другим - к крейцкопфу, который соединяется с поршнями соответствующего пакета штоком.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что группу пакетов горячих цилиндров с поршнями выполняют с теплоизоляцией.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что крейцкопфы, шатуны и коленчатые валы помещаются в зону низкой температуры.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что трущиеся поверхности поршней и цилиндров не имеют смазки.

На чертеже представлены: на фиг.1 - конструкция двигателя внешнего нагревания (для частного случая использования одного пакета горячих цилиндров и одного пакета холодных цилиндров), на фиг.2 - диаграмма «давление-объем» двигателя внешнего нагревания.

Двигатель внешнего нагревания (фиг.1) содержит группу пакетов горячих цилиндров 1 с поршнями 2 и соответствующую группу шатунов 5, соединенных с одной стороны с коленчатым валом 6 горячей группы, а с другой стороны - с крейцкопфами 4, штоками 3 и поршнями 2 пакетов цилиндров горячей группы.

Двигатель внешнего нагревания содержит также группу пакетов холодных цилиндров 7 с поршнями 8 и соответствующую группу шатунов 11, соединенных с одной стороны с коленчатым валом 12 холодной группы, а с другой стороны - с крейцкопфами 10, штоками 9 и поршнями 8 пакетов цилиндров холодной группы.

Кроме того, двигатель внешнего нагревания содержит группу трубок 13, соединяющих попарно пакеты холодных 7 и горячих 1 цилиндров и содержащих устройство 14 регенерации тепла, трансмиссию 15, соединяющую коленчатый вал 6 горячей группы с коленчатым валом 12 холодной группы, теплоизоляцию 20, топливный насос 16, камеру сгорания 17, компрессор 18 подачи воздуха в камеру сгорания и теплообменник 19.

При этом размеры цилиндров пакетов 1 группы горячих цилиндров с поршнями и пакетов 7 группы холодных цилиндров с поршнями выполнены в виде параллелепипедов, а их толщина d выбирается из соотношения

где С=2.185·10^-5 - постоянная;

λ - коэффициент теплопроводности рабочего газа (воздуха);

ω - максимальная угловая скорость вращения коленчатого вала, при которой сохраняются изотермические процессы расширения-сжатия рабочего газа в цилиндрах;

С_р - удельная теплоемкость рабочего газа (воздуха) при постоянном давлении;

ρ - плотность рабочего газа (воздуха),

причем ширина цилиндров пакетов группы горячих цилиндров с поршнями и пакетов группы холодных цилиндров с поршнями выбирается больше, чем их толщина, но не более чем в 4 раза.

Соотношение (1) получено в результате анализа математической модели цикла Стирлинга, построенной на основе общей системы уравнений динамики вязкой сжимаемой газовой среды из условия максимизации кпд двигателя внешнего сгорания с учетом следующих предпосылок:

- холодный и горячий цилиндры разнесены в пространстве и имеют одинаковые размеры в форме параллелепипеда;

- в качестве рабочего газа принят воздух;

- за модель воздуха принималось его представление в виде вязкой сжимаемой газовой среды;

- пакеты холодных и горячих цилиндров соединены трубкой с регенератором тепла;

- пакеты холодных и горячих цилиндров, а также трубка с регенератором тепла помещены в идеальный теплоизолятор;

- коэффициент трения поршней, размещенных внутри, соответственно холодного и горячего цилиндров, близок к нулю;

- устройство преобразования продольного движения во вращательное (например, кривошипно-шатунная пара, соединенная с коленчатым валом), помещено в зону низкой температуры.

Для характеристики условия "сохранение изотермического процесса расширения-сжатия" рассмотрим диаграмму «давление Р - объем V», представленную на фиг.2.

Выберем на линии расширения две точки так, чтобы приблизительно выполнялись равенства:

P1=P_min+0.7·(P_max-P_min)

Р2=Р_min+0.3·(P_max-P_min)

Этот участок хорошо описывается кривой следующего вида:

P·V^k=const,

откуда

P1·V1^k=P2·V2^k

Показатель k для воздуха изменяется в пределах от 1 до 1.4. При значении k=1 процесс называется изотермическим (т.е. протекает при постоянной температуре), а при значении k=1.4 процесс называется адиабатическим (т.е. протекает при отсутствии теплообмена). При больших размерах цилиндров процесс близок к адиабатическому, а при малых - к изотермическому. Меру близости к изотермическому процессу мы предлагаем определять по условию:

k<1.1

Работает двигатель внешнего нагревания следующим образом.

В двигателе внешнего нагревания (двигателе Стирлинга) камера сгорания 17 вынесена за пределы горячих цилиндров 1 и тепло, необходимое для произведения работы, передается внутрь пакета горячих цилиндров 1 через их стенки. В пакете холодных цилиндров 7 производится сжатие газа, после чего этот газ перемещается в пакет горячих цилиндров 1, нагревается и в пакете горячих цилиндров 1 производится его расширение, за счет чего производится механическая работа. Считается, что двигатель Стирлинга может иметь цикл, максимально приближенный к идеальному циклу Карно. В действительности при работе двигателя Стирлинга традиционных размеров происходит сильное отклонение от идеального цикла Карно, поскольку сжатие газа и его расширение при работе двигателя Стирлинга происходит не по изотерме, а почти по адиабате. Указанное обстоятельство приводит к существенному снижению кпд двигателя Стирлинга традиционных размеров.

Для того чтобы сжатие и расширение газа происходили по изотерме, необходимо существенно увеличить отношение площади стенок цилиндра к его объему. Известны попытки осуществить это увеличение за счет введения в цилиндр и головку поршня специальных ребер, увеличивающих площадь поверхности металлических стенок. Однако эти решения не дают полноценного изотермического цикла, который можно получить уменьшением размеров цилиндров и поршней при соответствующем увеличении количества цилиндров и поршней и объединении их в пакеты для сохранения требуемой мощности двигателя.

Для того чтобы сжатие и расширение газа происходили по изотерме, необходимо существенно увеличить отношение площади стенок цилиндра к его объему, что можно получить уменьшением размеров цилиндров и поршней при соответствующем увеличении количества цилиндров и поршней и объединении их в пакеты для сохранения требуемой мощности двигателя.

В результате анализа математической модели цикла Стирлинга, построенной на основе общей системы уравнений динамики вязкой сжимаемой газовой среды из условия максимизации кпд двигателя внешнего сгорания, получено соотношение (1), позволяющее определить требования к размерам цилиндров.

В результате, при выборе параметров цилиндров исходя из соотношения (1) увеличивается кпд двигателя внешнего сгорания, что приводит к достижению требуемого технического результата. Этот эффект усиливается за счет того, что устройство преобразования продольного движения поршней во вращательное движение вала размещают в зоне внешнего охладителя. Кроме того, шатуны пакетов крепятся одним концом к коленчатому валу, а другим - к крейцкопфу, который соединяется с соответствующим штоком и поршнями пакета цилиндров, причем крейцкопфы, шатуны и коленчатые валы помещаются в зону низкой температуры.

В двигателе внешнего нагревания поршни 2 пакетов группы горячих цилиндров 1 и поршни 8 пакетов группы холодных цилиндров 7 могут быть выполнены без поршневых колец.

Кроме того, группа горячих цилиндров 1 с поршнями 2 может быть выполнена с теплоизоляцией 20, группа трубок 13, соединяющих попарно пакеты холодных 7 и горячих 1 цилиндров и содержащих устройство регенерации 14, также может быть выполнена с теплоизоляцией.

При этом смазка трущихся поверхностей групп шатунов 5 и 11, коленчатых валов 6 и 12 и трансмиссии 15 осуществляется низкотемпературной смазкой (до 200°C), а смазка трущихся поверхностей горячих цилиндров 1 и холодных цилиндров 7 осуществляется графитовой смазкой (до 450°C).

Возможен также вариант применения двигателя внешнего нагревания, когда трущиеся поверхности поршней и цилиндров не имеют смазки. Это обусловлено тем, что изотермический процесс, характерный для двигателей внешнего нагревания, позволяет поддерживать практически одинаковую температуру поршня и цилиндра, поэтому зазор между ними можно сделать достаточно малым. Так, если разность температур между поршнем и цилиндром будет составлять 10°С, то при диаметре 10 мм различие в тепловом расширении для стальных цилиндров и поршней будет составлять около 1.2 мкм. Если дать дополнительный допуск на изготовление 1 мкм, то получим зазор 2.2 микрометра. Утечки воздуха при таком зазоре вполне допустимы. Положение еще больше улучшается при уменьшении размеров цилиндров. Разность температур при этом уменьшается линейно с уменьшением диаметра.

Таким образом, благодаря выполнению цилиндров исходя из требований, определенных по соотношению (1) и другим указанным особенностям выполнения устройства, существенно увеличивается его кпд, что приводит к достижению требуемого технического результата.

Изобретение относится к области силовых установок и двигателей объемного вытеснения, в частности к двигателям, работающим при расширении и сжатии массы рабочего газа, который нагревается и охлаждается в одной или нескольких постоянно сообщающихся камерах, например, двигателей, работающих по циклу Стирлинга. Двигатель внешнего нагревания содержит коленчатый вал горячей группы и коленчатый вал холодной группы, группу пакетов горячих цилиндров с поршнями и соответствующую ей группу шатунов, группу пакетов холодных цилиндров с поршнями и соответствующую ей группу шатунов, трансмиссию, топливный насос, камеру сгорания, компрессор подачи воздуха в камеру сгорания и теплообменник. Двигатель также содержит группу трубок, соединяющих попарно пакеты холодных и горячих цилиндров и содержащих устройство регенерации тепла. Цилиндры выполнены в виде параллелепипедов и их толщина d выбирается из соотношения

где С=2.185·10^-5 - постоянная; λ - коэффициент теплопроводности рабочего газа (воздуха); ω - максимальная угловая скорость вращения коленчатого вала, при которой сохраняются изотермические процессы расширения-сжатия рабочего газа в цилиндрах; С_р - удельная теплоемкость рабочего газа (воздуха) при постоянном давлении; ρ - плотность рабочего газа (воздуха). Ширина цилиндров выбирается из условия превышения их толщины не более чем в четыре раза. Техническим результатом является повышение кпд. 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель внешнего нагревания, содержащий коленчатый вал горячей группы и коленчатый вал холодной группы, группу пакетов горячих цилиндров с поршнями и соответствующую ей группу шатунов, соединенных с одной стороны с коленчатым валом горячей группы, а с другой стороны - с крейцкопфами, штоками и поршнями пакетов горячей группы, группу пакетов холодных цилиндров с поршнями и соответствующую ей группу шатунов, соединенных с одной стороны с коленчатым валом холодной группы, а с другой стороны - с крейцкопфами, штоками и поршнями пакетов холодной группы, группу трубок, соединяющих попарно пакеты холодных и горячих цилиндров и содержащих устройство регенерации тепла, трансмиссию, соединяющую коленчатый вал горячей группы с коленчатым валом холодной группы, топливный насос, камеру сгорания, компрессор подачи воздуха в камеру сгорания и теплообменник, отличающийся тем, что цилиндры пакетов группы горячих цилиндров с поршнями и цилиндры пакетов группы холодных цилиндров с поршнями выполнены в виде параллелепипедов, а их толщина d выбирается из соотношения

,

где С=2.185·10^-5 - постоянная;

λ - коэффициент теплопроводности рабочего газа (воздуха);

ω - максимальная угловая скорость вращения коленчатого вала, при которой сохраняются изотермические процессы расширения-сжатия рабочего газа в цилиндрах;

С_р - удельная теплоемкость рабочего газа (воздуха) при постоянном давлении;

ρ - плотность рабочего газа (воздуха),

причем ширина цилиндров группы горячих цилиндров с поршнями и группы холодных цилиндров с поршнями выбирается из условия превышения их толщины не более чем в четыре раза.