двигатель с внешним подводом теплоты

Формула изобретения

ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ, содержащий цилиндр с днищем, снабженным отверстием для штока и штоковым уплотнением, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на полость расширения в полость сжатия, охладитель, регенератор и нагреватель, соединяющие полости расширения и сжатия, компенсатор, выполненный в виде объема с подвижным поршнем, механизм изменения объема емкости и буфер, отличающийся тем, что он снабжен емкостью, установленной между рабочим и выстеснительным поршнями, и гибкой диафрагмой, герметично разделяющей газовую и жидкостную полости, при этом компенсатор выполнен в виде поршневого насоса с кольцевой полостью, механизм изменения объема снабжен регулирующим клапаном, расположенным на линии выхода канала циркуляции охлаждающей жидкости, а буфер размещен в полости сжатия и выполнен в виде пружины растяжения-сжатия с прикрепленными к вытеснительному поршню и неподвижному цилиндру опорными поверхностями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано при создании двигателей с внешним подводом теплоты с регулируемой рабочей частотой.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий корпус, на котором установлен по меньшей мере один цилиндр, образующий при помощи поршня рабочую камеру, разделенную вытеснителем на горячую и холодную полости, сообщенные между собой через регенератор, а элементы согласования движения вытеснителя с поршнем выполнены в виде упругих связей (пружин), соединяющих цилиндр с вытеснителем и корпусом, и герметичного элемента, связывающего цилиндр с поршнем [1]

Однако известный двигатель может быть использован только на объектах небольшой мощности и не может применяться на объектах, где требуется широкий диапазон регулирования частоты.

Известен свободнопоршневой двигатель Стирлинга, содержащий цилиндр с днищем, рабочий и вытеснительный поршни, полости расширения и сжатия, нагреватель, регенератор, охладитель, буферную полость и снабженный двумя сильфонами, механизмом изменения объема, компенсатором с подвижной стенкой (поршнем), с выполненным отверстием для штока и уплотнения днищем [2]

Недостатком указанного двигателя является ограниченный диапазон регулирования частоты из-за малой гибкости металлических сильфонов, повышенный шум, возникающий при столкновении вытеснительного и рабочего поршней, недостаточная надежность его работы ввиду постепенного вытекания жидкости через уплотнение между подвижным штоком и неподвижным днищем цилиндра и попадание газа в сильфоны, что снижает эффективность регулирования.

Целью изобретения является повышение надежности работы двигателя путем герметизации рабочей полости увеличенного объема, расширение области применения и диапазона регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что двигатель снабжен установленной между рабочим и вытеснительным поршнями емкостью с герметично разделяющей газовую и жидкостную полости гибкой диафрагмой, компенсатор выполнен в виде поршневого насоса с кольцевой полостью, механизм изменения объема снабжен регулирующим клапаном, расположенным на линии выхода канала циркуляции охлаждающей жидкости, буфер размещен в полости сжатия и выполнен в виде пружины растяжения-сжатия с закрепленными к вытеснительному поршню и неподвижному цилиндру опорными поверхностями.

На чертеже изображен двигатель с внешним подводом теплоты.

Двигатель содержит цилиндр 1 с днищем 2, выполненным с отверстием для штока 3 и установленное в отверстие днища 2 штоковое уплотнение 4, размещенные в цилиндре 1 и разделяющие его объем на полость расширения 5 и полость сжатия 6 вытеснительный 7 и рабочий 8, поршни, соединяющие полости расширения 5 и сжатия 6 охладитель 9, регенератор 10 и нагреватель 11, выполненный в виде объема 12 с подвижным поршнем 8 компенсатор 13, входящий в нижнюю часть цилиндра 1 и представляющий собой поршневой насос, включающий всасывающий 14 и нагнетательный 15 клапаны.

Механизм изменения объема емкости 16 снабжен регулирующим клапаном 17, расположенным на линии выхода канала 18 циркуляции охлаждающей жидкости (например, масла). Емкость 16 расположена между вытеснительным 7 и рабочим 8 поршнями и имеет гибкую (например, резиновую) диафрагму 21, герметично разделяющую газовую и жидкостную 20 полости. Буфер размещен в полости сжатия 6 и выполнен в виде пружины растяжения-сжатия 22 с закрепленными к вытеснительному поршню 7 и неподвижному цилиндру 1 опорными поверхностями.

Регулирующий клапан 17, включающий пружину 23 сжатия, отрегулирован на определенное давление срабатывания. Емкость 16 сообщается с жидкостной средой по каналу 24. Циркуляция рабочей (охлаждающей) жидкости осуществляется из охлаждающего теплообменника (на чертеже не показан) по всасывающему 25 и нагнетательным 26, 27 и 18 каналам, поэтому она выполняет роль и охлаждающей жидкости.

В исходном положении, под действием рабочего газа в полости сжатия 6, диафрагма 21 прилегает к нижней сферической поверхности емкости 16, рабочий поршень 8 под действием давления рабочей жидкости в полости 20 и под собственным весом находится внизу, вытеснительный поршень 7 располагается в среднем положении, так как перепада давления между полостями расширения 5 и сжатия 6 нет, а пружина 22 находится в своем нейтральном (свободном) состоянии. При этом угол фазового сдвига (опережение) движения вытеснительного поршня 7 по сравнению с движением рабочего поршня 8 составляет 90.100^о.

При пуске двигателя запускают систему зажигания (не показана) и нагревают рабочий газ (теплоноситель). Затем включают стартер (например, автомобиля). Если в полости 20 находится воздух, то в процессе возвратно-поступательного движения рабочего поршня 8 полость 20 заполняют рабочей жидкостью путем ее всасывания в кольцевую полость 12 по всасывающему каналу 25 через клапан 14 (движение рабочего поршня 8 вверх) и вытеснением рабочей жидкости из кольцевой полости 12 по нагнетательному каналу 26 через клапан 15, по каналу 27 (движение рабочего поршня 8 вниз). Обладая большей чем воздух плотностью, жидкость по каналу 27 заполняет полость 20 и вытесняет воздух по каналу 18 через открытый регулирующий клапан 17. После заполнения полости 20 рабочей жидкостью и закрытия регулирующего клапана 17 двигатель начинает работать в заданном режиме.

Двигатель работает следующим образом.

При движении рабочего поршня 8 вверх происходит заполнение кольцевой полости 12 жидкостью через всасывающий клапан 14, повышается давление жидкости в полости 20 выше давления газа в полости сжатия 6. Жидкость перетекает по каналу 24 под диафрагму 21 и заполняет емкость 16, повышая давление в полости сжатия 6. При превышении давления жидкости в полости 20 установленного рабочего давления газа в полости 6 часть рабочей жидкости, преодолевая усилие пружины 23 регулирующего клапана 17, вытекает по каналу 18 для вторичной циркуляции. Вытеснительный поршень 7 из среднего положения движется вверх, газ из полости расширения 5 перетекает через нагреватель 11, генератор 10 и охладитель 9 в полость сжатия 6. Пружина 22 растягивается, останавливает вытеснительный поршень 7 в крайнем верхнем положении, а затем вынуждает его двигаться вниз. Рабочий поршень 8 в это время подходит к верхней мертвой точке и останавливается. При движении вытеснительного поршня 7 вниз газ из полости сжатия 6 перетекает через охладитель 9, генератор 10, нагреватель 11 в полость расширения 5. При расширении нагретого газа вытеснительный 7 и рабочий 8 поршни движутся вместе вниз. В этот момент (ходе) рабочим поршнем 8 совершается работа, т. е. передача энергии потребителю мощности. В дальнейшем вытеснительный поршень 7 под действием усилия сжатия пружины 22 останавливается в крайнем нижнем положении, а затем движется вверх, перемещая газ через нагреватель 11, регенератор 10, охладитель 9 в полость сжатия 6. Происходит отдача теплоты холодному источнику.

Во время движения рабочего поршня 8 вниз жидкость из кольцевой полости 12 по каналу 26, через нагнетательный клапан 15 и по каналу 27 перетекает в полость 20. За счет разности площадей верхней и нижней кольцевой поверхностей поршня 8 в полости 20 создается пониженное давление и поэтому диафрагма 21 опускается вниз вплоть до прилегания к сферической поверхности емкости 16.

После достижения рабочим поршнем 8 нижней мертвой точки и подъема вытеснительного поршня 7 до среднего положения при нейтральном (свободном) состоянии пружины 22 цикл повторяется.

Плавным открытием регулирующего клапана 17 путем сжатия пружины 23, выпускают часть жидкости из полости 20 по каналу 18 и снижают давление жидкости в полости 20, что приводит к уменьшению высоты подъема диафрагмы 21 и снижению давления в газовой полости сжатия 6. Таким образом достигается регулирование режима работы двигателя в широком диапазоне.

При форсированном режиме работы двигателя регулирующий клапан 17 поддерживается закрытым при повышенных давлениях.

Охлаждение рабочего газа осуществляется за счет передачи тепла из полости сжатия 6 через диафрагму 21 циркулирующей жидкости, поступающей из теплообменника или радиатора (не показан).

Ожидаемая технико-экономическая эффективность предлагаемого двигателя, по сравнению с прототипом слагается за счет повышения надежности его работы путем герметизации рабочей полости, расширения области применения и диапазона регулирования, а также охлаждения рабочего газа в полости сжатия циркулируемой жидкостью.