двигатель внешнего нагрева

Формула изобретения

Двигатель внешнего нагрева, содержащий оппозитно расположенные рабочие цилиндры двойного действия, сообщенные друг с другом газообменным трактом и с расположенной в них штокопоршневой группой, кинематически связанной с силовым механизмом отбора мощности, отличающийся тем, что горячие (штоковая и поршневая) полости образованы в одном цилиндре, холодные (штоковая и поршневая) - в другом, а газораспределительное устройство выполнено с возможностью осуществления внутрицилиндрового газообмена при рабочем ходе и межцилиндрового газообмена при подготовительном ходе, в процессе которого производят теплообмен между горячими и холодными потоками рабочего тела, через посредство противоточного теплообменника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, а точнее к двигателям с внешним подводом теплоты, работающим по циклу, описанному в заявке N 97113555/06 (013078), положительное решение от 5 января 1999 г., МПК 6 F 02 G 1/04, отличительной особенностью которого является то, что поршневая и штоковая горячие полости образованы в одном цилиндре, холодные полости - поршневая и штоковая - в другом цилиндре, а рабочий цикл на диаграмме P,V образован двумя изохорами и двумя изотермами.

Двигатели, работающие по этому циклу, неизвестны.

Наиболее близким по устройству, является двигатель с внешним подводом тепла по а.с. N 541039, кл. F 02 G 1/04, (работающий по циклу Андреева по а. с. N 476369, кл. F 02 G 1/04, 1975 г.), содержащий корпус с силовым механизмом отбора мощности, кинематически связанный со штокопоршневыми группами, расположенными в оппозитных рабочих цилиндрах, каждый из которых образует горячую поршневую и холодную штоковую полости, постоянно сообщенные друг с другом через подогреватель и регенератор и эпизодически сообщающихся с оппозитными полостями при экстремальных положениях поршней.

Недостатками этого двигателя являются размещение горячего и холодного объемов в одном цилиндре, наличие регенераторов чувствительных к загрязнению смазкой, а также политропный характер межцилиндрового газообмена. Все это приводит к снижению термодинамического КПД, повышению температурной напряженности подогревателей и, в конечном счете, к ухудшению относительных показателей двигателя.

Изобретение решает задачу повышения КПД, улучшения относительных весовых и габаритных показателей и отказа от регенераторов.

Поставленная задача решается тем, что горячие полости (поршневая и штоковая) образованы в горячем цилиндре, холодные полости (поршневая и штоковая), в оппозитно расположенном холодном цилиндре, при этом газораспределительное устройство выполнено с возможностью реализации внутрицилиндрового газообмена при рабочем ходе, а межцилиндрового газообмена - при подготовительном ходе, осуществляя таким образом весь рабочий цикл в два такта: рабочий такт и такт подготовительный. При этом такт подготовительный реализуется без затраты работы (потери на трение пренебрежимо малы), а теплообменник для передачи теплоты от горячего рабочего тела к холодному выполнен противоточным.

Изобретение может быть использовано при конструировании компактных и экологически чистых двигателей с высокими удельными показателями.

На фиг. 1 изображен, в исходном положении, предлагаемый двигатель в поперечном разрезе; на фиг.2 - в разрезе по А-А; на фиг.3 изображен двигатель в позиции начала рабочего хода; на фиг. 4 показана диаграмма P,V работы двигателя; на фиг.5 - диаграмма Т, S; на фиг. 6 - диаграмма перемещения поршней.

Двигатель внешнего нагрева состоит из картера 1, на котором оппозитно расположены горячий 2 и холодный 3 цилиндры, с размещенными в них соответственно рабочим поршнем 4 и компрессионным поршнем 5, жестко закрепленными на общем штоке 6, снабженном кронштейнами 7 и 8, на которых шарнирно закреплены шатуны 9 и 10, кинематически связанные с коленвалами 11 и 12, снабженными зубчатыми колесами 13 и 14, находящимися в постоянном зацеплении друг с другом и расположенными в отдельном картере 15, см. фиг. 2.

Цилиндры посредством поршней образуют переменные объемы: в горячем цилиндре 2 - полость расширения 16 и приемную горячую полость 17, в холодном цилиндре 3 - полость сжатия 18 и приемную холодную полость 19. Полости горячего цилиндра 2 сообщены посредством газообменного тракта, состоящего из подогревателя 20 и канала 21, сообщенных через посредство газораспределительной системы выполненной, например, в виде золотника 22 и золотника 23 с каналами 24 и 25, образующими противоточный теплообменник 26 и сообщенных, в свою очередь, через посредство золотника 23, с холодильником 27, каналом 28 и каналом наддува 29 с полостями холодного цилиндра 3.

Газораспределительные золотники 22 и 23, жестко связанных друг с другом штангой 30, снабженной двумя упорами 31 и 32, установленными с возможностью взаимодействия, при экстремальных положениях штока 6 с упором 33, закрепленным на кронштейне 7.

Все переменные объемы и газовые магистрали выполнены герметичными и заполнены под избыточным давлением газообразным рабочим телом, например гелием. На картере 1 установлена камера сгорания 34, условно изображенная на фиг. 1 и 2 штрих-пунктирной линией. Арматура для сжигания топлива на чертеже условно не показана.

Рабочий цикл двигателя осуществляется следующим образом, см. фиг. 1-5.

В исходном положении, изображенном на фиг.1 и 2, все переменные объемы сообщены друг с другом через подогреватель 20, золотник 22, канал 25 и далее через золотник 23, холодильник 27 и канал наддува 29 полость 18, канал 28, золотник 23, канал 25, золотник 22 и канал 21 с полостью 17, поэтому давление во всех полостях одинаково. Поскольку штокопоршневая группа 4, 5, 6 находится в нижней мертвой точке, то большая часть P.Т. находится в полости 16; на диаграмме перемещений, см. фиг. 6, этому положению соответствуют точки 1_r и 1_x.

Для запуска двигателя в камере сгорания 34 зажигают топливо и после прогрева цилиндра 2 и подогревателя 20, когда температура Р.Т. достигнет расчетной и давление его установится в пределах усредненного P_у, см. фиг.4, тогда большее количество Р.Т. сосредоточится в полостях холодного цилиндра 3. Для начала работы двигателя необходимо и достаточно провернуть коленвал 11 на угол несколько больший 180^o. В процессе этого полуоборота будет происходить следующее.

В начале движения вверх поршня 5 им будет перекрыт канал 29, после чего холодное Р.Т. из полости сжатия 18 будет вытесняться через канал 28, золотник 23, канал 25 теплообменника 26 (где оно отберет теплоту от встречного горячего потока Р. Т. ) и далее через золотник 22 и канал 21 - в равную по размеру приемную горячую полость 17. Одновременно будет происходить процесс вытеснения горячего Р.Т. из полости расширения 16, в равную по размеру приемную холодную полость 19 через подогреватель 20, золотник 22, канал 24 теплообменника 26 (где его теплота будет отобрана встречным, более холодным Р. Т, текущим по каналу 25, см. выше) и холодильник 27. На диаграмме P,V, см. фиг.4, эти движения показаны соответственно изохорами 3-4 и 6-1.

В результате, при подходе штокопоршневой группы 4-5-6 к верхней мертвой точке, см. фиг.3, из полости сжатия 18 все Р.Т. будет вытеснено в приемную горячую полость 17 при температуре, близкой к температуре Р.Т. в подогревателе 20, а из полости расширения 16 все Р.Т. будет вытеснено в приемную холодную полость 19 при температуре близкой к температуре выхода из холодильника 27; при этом упор 33 передвинет через посредство упора 31 и штанги 30, золотники 22 и 23 в крайнее верхнее положение, что обеспечит переход от межцилиндрового к внутрицилиндровому газообмену как в горячем 2, так и в холодном 3 цилиндрах. Вследствие чего, в полостях 16 и 17 горячего цилиндра установится одинаковое (максимальное) давление Р.Т., а в полостях- 18 и 19 холодного цилиндра 3 установится одинаковое (минимальное) давление Р.Т. На диаграммах P,V и Т, S, см. фиг. 4 и 5, это соответственно показано точками 4 и 1, а на диаграмме перемещений, см. фиг 6, - соответственно точками 2_r и 2_x.

После перехода штокопоршневой группы 4, 5, 6 через верхнюю мертвую точку в горячем цилиндре 2 начнется рабочий ход, так как Р.Т. будет вытесняться из приемной (штоковой) полости 17 по каналу 21 через золотник 22 и каналы подогревателя 20 в полость расширения 16, т.е. будет происходить изотермическое расширение Р. Т. Одновременно в холодном цилиндре 3 будет происходить изотермическое сжатие, так как Р.Т. будет вытесняться из приемной (поршневой) полости 19 через холодильник 27, золотник 23 и канал 28 в компрессионную (штоковую) полость 18.

При достижении нижней мертвой точки, см. фиг. 1, упор 33 кронштейна 7 через посредство упора 32 и штанги 30 переместит золотники 22 и 23 в нижнее положение, см. фиг. 1 и 2, т.е. все элементы двигателя вернутся в исходное положение и цикл начнется сначала, причем подготовительный ход (вверх) штокопоршневой группы произойдет под действием сил инерции вращения коленвалов 11, 12 и зубчатых колес 13 и 14, выполняющих и роль маховиков, а так как при этом штоковые полости 17 и 18 остаются сообщены друг с другом также, как и поршневые полости 16 и 19, то газовые составляющие будут уравновешены, следовательно и затрата работы на подготовительный ход будет минимальной.

Из вышеизложенного следует, что в предлагаемом двигателе внешнего нагрева реализован новый способ работы, при котором за счет разнесения горячих и холодных полостей по разным цилиндрам, и организации процесса газообмена таким образом, что рабочий ход и процесс сжатия Р.Т. осуществляют при внутрицилиндровом газообмене, а подготовительный процесс - при межцилиндровом газообмене, чем существенно снижают относительные вредные объемы и вредный теплообмен между горячими и холодными полостями, а реальную диаграмму P,V получают, практически, без округления - в виде двух изохор и двух изотерм; за счет замены регенератора на противоточный теплообменник, чем снижают гидродинамическое сопротивление при газообмене и чувствительность к загрязнению следами смазки; в результате вышеизложенного возрастают термодинамический и эффективный коэффициенты двигателя.