СПОСОБ ЛИНЕЙНОГО ПРИВОДА ВЫТЕСНИТЕЛЬНОГО ПОРШНЯ В ДВИГАТЕЛЕ СТИРЛИНГА Российский патент 2024 года по МПК F02G1/43 F02G1/45 F02G1/53 

Область техники

Изобретение относится к области тепловых машин и двигателей с внешним подводом тепла.

Предшедствующий уровень техники

В настоящее время в энергетике применяются различные типы тепловых двигателей, в частности двигатели внутреннего сгорания и двигатели с внешним подводом тепла, последние разделяются на двигатели, в которых рабочее тело при его нагревании испытывает фазовый переход из жидкого в газообразное состояние, работающие как по замкнутому контуру рабочего тела, так и по разомкнутому контуру рабочего тела - паровые двигатели, преимущественно паровые турбины, и двигатели, работающие по замкнутому контуру рабочего тела, в которых рабочее тело все время остается в газообразном состоянии - двигатели Стирлинга различных модификаций.

Двигатели внутреннего сгорания получили широкое распространение вследствие своей высокой удельной мощности при приемлемом уровне КПД, значительном моторесурсе и отработанной технологией производства. Однако такие двигатели требуют для работы жидких или газообразных углеводородных топлив, причем наиболее распространенные жидкие топлива не встречается в готовом виде в природе, и имеют высокую стоимость и специализированную индустрию их производства. В процессе как производства данных топлив, так и, прежде всего в процессе их сгорания, выделяется много вредных веществ, что, в свою очередь, приводит к загрязнению окружающей среды и усиливает так называемый парниковый эффект атмосферы, что является серьезным недостатком таких двигателей.

Паровые двигатели обладают высокой мощностью и быстроходностью, могут работать на более дешевых видах топлива, и не только углеводородных, однако требуют громоздкого котла и конденсатора, систем водоподготовки (в случае использования воды как рабочего тела), вследствие чего, отличительными особенностями данных двигателей, являются их большие габариты и вес, а в случае использования данных двигателей в вариантах двигателей средней и малой мощности, и низким КПД использования тепла выделяемого при сгорании топлива, в связи с особенностями физических закономерностей их рабочего цикла.

Двигатели, работающие по циклу Стирлинга, для своей работы могут использовать любые источники тепла, в том числе и лучистую энергию солнца, что делает их привлекательными при переходе на альтернативные источники энергии, обладают высоким КПД использования топлива - до 50%, но оказываются тихоходными и маломощными. Кроме этого недостатком данных двигателей является сложность регулирования (изменения) их мощности и числа оборотов в процессе непосредственного использования. Для повышения удельной мощности таких двигателей применяется рабочее тело в виде газов водорода или гелия, при степени их сжатия до 200 атмосфер. Использование рабочих тел при таких высоких степенях сжатия требует применения дорогих высококачественных конструкционных материалов, кроме этого возникает проблема герметизации рабочих полостей двигателя и картера, особенно в сопряжении движущихся деталей, таких как уплотнения приводного штока вытеснительного поршня и рабочего поршня, в частности в самом компактном типе компоновки двигателя Стирлинга - Бетта компоновки. Этот недостаток, хотя и в меньшей степени присущ и для двигателей Стирлинга - Гамма компоновки.

Известен так же двигатель внешнего сгорания, работающий по циклу Стирлинга, известный из патента US 5174116, который снабжен электромагнитным приводом в виде расположенного внутри корпуса двигателя электродвигателя, сообщающего движение вытеснительному поршню через специальный кривошипно-кулачковый механизм, который дополнительно снабжен пневматическим механизмом, для обеспечения более стабильной и надежной работы привода вытеснительного поршня.

Данный двигатель обладает рядом недостатков:

- Привод штока вытеснительного поршня громоздок, сложен и недостаточно надежен.

- Линейный электрический генератор недостаточно эффективен и удобен, в случае использования данного двигателя в качестве привода транспортного средства.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения Способ линейного привода вытеснительного поршня в двигателе Стирлинга, выбран Двигатель внешнего сгорания, работающий по циклу Стирлинга, с электрическим приводом вытеснителя, известный, в частности из заявки на изобретение RU 2016113501.

Совпадающим существенным признаком между заявляемым изобретением и рассматриваемым ближайшим аналогом является отсутствие жесткой механической связи между приводом рабочего поршня и вытеснительным поршнем, а именно применение в аналоге электромагнитного привода вытеснительного поршня.

Данное техническое решение позволяет повысить управляемость двигателя по оборотам и мощности, за счет возможности регулировать фазовые углы

газораспределения между рабочим и вытеснительным поршнями, а также упростить конструкцию и улучшить массово-габаритные показатели. Причинами, препятствующими в рассматриваемом аналоге достижению высокого технического результата, являются следующие технические недостатки:

- Электромагнитный привод состоит из двух электромагнитных элементов, расположенных соответственно как на рабочем цилиндре, так и внутри вытеснительного поршня. Привод вытеснительного поршня осуществляется за счет подачи тока нужных параметров на электромагнитные элементы, как вытеснительного поршня, так и на электромагнитный элемент рабочего цилиндра так, что за счет возникающих между ними электромагнитных сил, вытеснительный поршень перемещяется внутри рабочего цилиндра.

- Данное техническое решение, в частности не позволяет разместить регенератор внутри вытеснительного поршня, что снижает эффективность двигателя в целом.

- Кроме этого, серьезной и трудно осуществимой задачей является необходимость подачи тока на электромагнитный элемент вытеснительного поршня, который является движущейся внутри рабочего цилиндра деталью и работает при экстремально высоких температурах.

- Серьезные сомнения вызывает надежность работы данного электромагнитного привода и его ремонтопригодность.

- Предложенный в выбранном аналоге электромагнитный привод не является частью имеющейся в свободном доступе на рынке элементной базы приводных механизмов, что гарантирует его относительно высокую стоимость.

Сущность изобретения: Задачей изобретения, является упрощение существующих в настоящее время двигателей, работающих по циклу Стирлинга, а также улучшение их управляемости, прежде всего по мощности и числу оборотов, улучшение массово-габаритных показателей двигателей Стирлинга в целом и уменьшение их стоимости.

Достижение поставленных задач в изобретении решается через предлагаемый Способ применения линейного привода вытеснительного поршня в двигателе Стирлинга.

Главной особенностью изобретения является использование для привода вытеснительного поршня в двигателях Стирлинга, главным образом Бетта и Гамма модификаций, линейных электрических линейных приводов, как имеющихся в свободном доступе, так и минимально модифицированных с учетом условий эксплуатации. А именно: электромагнитного (соленоидного) и электрического (с использованием электродвигателей различных типов). Причем линейные приводы должны устанавливаться, на внешних неподвижных частях двигателей Стирлинга, с возможностью легкой их замены на месте.

Другой особенностью изобретения является наличие задающего устройства (механизма), для регулирования момента и длительности срабатывания линейного привода относительно угла фаз газораспределения в двигателе Стирлинга в процессе работы.

Техническим результатом применения данного изобретательского решения является упрощение конструкций двигателей, работающих по циклу Стирлинга, а также повышение их управляемости по мощности и числу оборотов во время их работы.

Согласно изобретению предложен способ линейного привода вытеснительного поршня в двигателе Стирлинга, состоящем из рабочего цилиндра, в котором размещены имеющие возможность перемещаться вытеснительный и рабочий поршни, при этом рабочий поршень оборудован кривошипно-шатунным механизмом, посредством которого возвратно-поступательное движение рабочего поршня преобразуется во вращательное движение маховика. Линейный привод вытеснительного поршня осуществляется посредством электромагнитного привода, крепящегося на головке верхней, горячей части рабочего цилиндра двигателя Стирлинга и срабатываещего по команде задающего устройства, выполненного в виде роликового выключателя, взаимодействующего с выступом на маховике и соединенного электрической цепью с электромагнитным приводом, с возможностью регулирования момента и/или длительности срабатывания, при этом, в момент, когда рабочий поршень близок к положению нижней мертвой точки, выступ маховика вступает во взаимодействие с роликовым выключателем, электрическая цепь замыкается и на катушку электромагнитного привода подается команда на его срабатывание, шток электромагнитного привода под действием электромагнитной силы втягивается в свое верхнее положение, перемещая вытеснительный поршень в горячую часть рабочего цилиндра, а при подходе рабочего поршня к верхней мертвой точке, выступ маховика перестает взаимодействовать с роликовым переключателем, электрическая цепь размыкается и перемещение вытеснительного поршня к нижней мертвой точке осуществляется за счет силы упругости пружины электромагнитного привода.

Осуществление изобретения

Для иллюстрации предлагаемого Способа применения линейного привода в двигателе Стирлинга прилагается чертеж двигателя Стирлинга Бетта - компоновки с электромагнитным приводом вытеснительного поршня.

Представленный на чертеже двигатель с внешним подводом тепла, в котором реализован предлагаемый Способ применения линейного привода в двигателе Стирлинга, состоит из рабочего цилиндра 1, который разделяется на горячую и холодную части. Внутри рабочего цилиндра размещены поршни - вытеснительный поршень 2 и рабочий поршень 3, шток вытеснительного поршня 4, который соединен с подвижным штоком 5 электромагнитного привода 6. Рабочий поршень оборудован кривошипно-шатунным механизмом 7, с помощью которого вращательно-поступательное движение рабочего поршня преобразуется во вращение маховика 8, на маховике имеется выступ 9 с которым взаимодействует роликовый включатель 10, причем последний соединен электрической цепью 11 с электромагнитным приводом. Внутри электромагнитного привода имеется пружина 12, и электромагнитная катушка 13.

Электромагнитный привод в сборе крепится к головке верхней, горячей части рабочего цилиндра через, к примеру, резьбовое соединение к специальной пластине 14, которая, в свою очередь установлена на головке рабочего цилиндра через термоизоляционную прокладку 15.

Способ применения линейных приводов в двигателях Стирлинга при работе любого такого двигателя, осуществляется следующим образом: когда вытеснительный поршень находится в холодной части рабочего цилиндра, то газообразное рабочее тело сосредоточено в горячей части рабочего цилиндра. Там происходит его нагрев за счет подвода тепла от внешнего источника, при этом рабочее тело нагревается и увеличивает свой объем. Создается давление на рабочий поршень, и он начинает двигаться вниз совместно с вытеснительным поршнем, при этом перемещение вытеснительного поршня осуществляется за счет силы упругости пружины электромагнитного привода. Через кривошипно-шатунный механизм передавая вращение маховику и, соответственно выходному валу двигателя.

Когда ход рабочего поршня близок к завершению - к положению в его нижней мертвой точке, выступ маховика вступает во взаимодействие с роликовым включателем, электрическая цепь замыкается, и на катушку электромагнитного привода, подается команда на его срабатывание. Подвижный шток электромагнитного привода под действием электромагнитной силы втягивается в свое верхнее положение, перемещая посредством штока вытеснительного поршня последний в горячую часть рабочего цилиндра. При движении вытеснительного поршня из холодной части рабочего цилиндра в горячую, рабочее тело, соответственно так же перемещается - вытесняется, но из горячей части рабочего тела в холодную. Рабочее тело, переместившись в холодную часть рабочего цилиндра охлаждается и стремиться уменьшить свой объем. Рабочий поршень, за счет инерционного движения элементов кривошипно-шатунного механизма начинает перемещаться к верхней мертвой точке, сжимая охлаждаемое рабочее тело. Работа, затрачиваемая на сжатие охлаждаемого рабочего тела всегда меньше работы совершаемой за счет расширения нагреваемого рабочего тела, за счет чего, собственно и осуществляется работа теплового двигателя. При подходе рабочего поршня к верхней мертвой точке, выступ маховика перестает взаимодействовать с роликовым переключателем, электрическая цепь размыкается, и электромагнитный привод срабатывает таким образом, что происходит перемещение вытеснительного поршня в холодную часть рабочего цилиндра, с последующим его совместным с рабочим поршнем перемещении в положение нижней мертвой точки. При перемещении вытеснительного поршня происходит вытеснение газообразного рабочего тела из холодной части рабочего цилиндра в горячую его часть. В горячей части рабочего цилиндра происходит нагрев и расширение рабочего тела. При расширении газообразное рабочее тело давит на рабочий поршень, заставляя его перемещаться из верхней мертвой точки к своей нижней мертвой точке. Цикл повторяется.

Изменением положения роликового переключателя, в свою очередь изменяется и фазовый угол перемещения вытеснительного поршня относительно поршня рабочего, чем легко регулируется число оборотов и мощность двигателя Стирлинга.

Благодаря предложенному способу линейного привода вытеснительного поршня в двигателе Стирлинга, осуществляется согласованное, последовательное и непрерывное движение рабочего и вытеснительного поршней двигателей Стирлинга, преимущественно Бета и Гамма исполнений, с возможностью легкого и эффективного регулирования их работы.

Промышленная применимость данное изобретение может быть использовано в различных отраслях экономики и народного хозяйства, прежде всего в энергетике, преимущественно, в возобновляемой, как силовой привод электрогенераторов, транспортных средств, различных машин и механизмов и проч.

Изобретение относится к области двигателестроения. Предложен способ линейного привода вытеснительного поршня 2 в двигателе Стирлинга, состоящем из рабочего цилиндра 1, в котором размещены имеющие возможность перемещаться вытеснительный 2 и рабочий 3 поршни. Рабочий поршень 3 оборудован кривошипно-шатунным механизмом 7, посредством которого возвратно-поступательное движение рабочего поршня 3 преобразуется во вращательное движение маховика 8. Линейный привод вытеснительного поршня 2 осуществляется посредством электромагнитного привода 6, крепящегося на головке верхней, горячей части рабочего цилиндра 1 двигателя Стирлинга и срабатывающего по команде задающего устройства, выполненного в виде роликового выключателя 10, взаимодействующего с выступом 9 на маховике 8 и соединенного электрической цепью 11 с электромагнитным приводом 6, с возможностью регулирования момента и/или длительности срабатывания. В момент, когда рабочий поршень 3 близок к положению нижней мертвой точки, выступ 9 маховика 8 вступает во взаимодействие с роликовым выключателем 10, электрическая цепь 11 замыкается, и на катушку 6 электромагнитного привода подается команда на его срабатывание, шток 5 электромагнитного привода втягивается под действием электромагнитной силы, перемещая вытеснительный поршень 2 в горячую часть рабочего цилиндра 1. При подходе рабочего поршня 3 к верхней мертвой точке выступ 9 маховика 8 перестает взаимодействовать с роликовым переключателем 10, электрическая цепь 11 размыкается и перемещение вытеснительного поршня 2 к нижней мертвой точке осуществляется за счет силы упругости пружины 12 электромагнитного привода. Технический результат - упрощение конструкций двигателей, работающих по циклу Стирлинга, а также повышение их управляемости по мощности и числу оборотов во время работы. 1 ил.

Способ линейного привода вытеснительного поршня в двигателе Стирлинга, состоящем из рабочего цилиндра, в котором размещены имеющие возможность перемещаться вытеснительный и рабочий поршни, при этом рабочий поршень оборудован кривошипно-шатунным механизмом, посредством которого возвратно-поступательное движение рабочего поршня преобразуется во вращательное движение маховика, отличающийся тем, что линейный привод вытеснительного поршня осуществляется посредством электромагнитного привода, крепящегося на головке верхней, горячей части рабочего цилиндра двигателя Стирлинга и срабатываещего по команде задающего устройства, выполненного в виде роликового выключателя, взаимодействующего с выступом на маховике и соединенного электрической цепью с электромагнитным приводом, с возможностью регулирования момента и/или длительности срабатывания, при этом в момент, когда рабочий поршень близок к положению нижней мертвой точки, выступ маховика вступает во взаимодействие с роликовым выключателем, электрическая цепь замыкается, и на катушку электромагнитного привода подается команда на его срабатывание, шток электромагнитного привода под действием электромагнитной силы втягивается в свое верхнее положение, перемещая вытеснительный поршень в горячую часть рабочего цилиндра, а при подходе рабочего поршня к верхней мертвой точке, выступ маховика перестает взаимодействовать с роликовым переключателем, электрическая цепь размыкается и перемещение вытеснительного поршня к нижней мертвой точке осуществляется за счет силы упругости пружины электромагнитного привода.