устройство и способ работы двигателя андреева

Формула изобретения

1. Устройство двигателя с внешним подводом теплоты, снабженного единой штокопоршневой группой, размещенной в оппозитно расположенных цилиндрах двойного действия, заполненных под избыточным давлением газообразным рабочим телом, снабженных трактами газообмена, регенераторами и холодильниками, отличающееся тем, что устройство содержит компенсатор максимального и компенсатор минимального давлений, а в каждом цилиндре образованы поршневая полость расширения и штоковая полость сжатия, выполненные с возможностью периодического сообщения либо с компенсатором максимального давления, либо с компенсатором минимального давления.

2. Способ работы двигателя с внешним подводом теплоты осуществляется в четырех переменных объемах двух рабочих цилиндров, отличающийся тем, что рабочий цикл организован в виде двух встречных процессов: в поршневых полостях - изохорного впуска рабочего тела - при сообщении полости расширения с компенсатором максимального давления, изобарного процесса расширения - во время рабочего хода, изохорного выхлопа и изобарного вытеснения его в компенсатор минимального давления, а в штоковых полостях - изотермического сжатия рабочего тела, изобарного вытеснения его в компенсатор максимального давления, адиабатного расширения рабочего тела в паразитном объеме и последующего изобарного всасывания рабочего тела из компенсатора минимального давления, а выполнение стабильного рабочего процесса обеспечивают отношением объема штоковой полости V_ш к объему поршневой полости - V_п, при котором



где Т_min - минимальная, а T_max - максимальная температуры рабочего тела и Р_max - давление в компенсаторе максимального давления, а Р_min - давление в компенсаторе минимального давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к отрасли энергомашиностроения, а точнее к устройству и способу работы двигателей с внешним подводом теплоты (внешнего сгорания), и может найти применение при проектировании высокоэкономичных, экологически чистых "всеядных" двигателей.

Известен способ работы и устройство двигателей с внешним подводом теплоты, например по циклу Стирлинга см. Г. Уокер "Машины, работающие по циклу Стирлинга". Москва, изд. Энергия, 1978 год.

Основными недостатками двигателей, работающих по этому циклу, являются большой относительный вес и "скругление" P,V-диаграммы для реального цикла вследствие гармонического движения поршней, что приводит к снижению термодинамического КПД цикла.

Известен, также, "Тепловой двигатель" по патенту РФ 2057963, по кл. 6 F 02 G 1/043, содержащий большой и малый цилиндры, работающие со сдвигом по фазе и сообщенные друг с другом через буферную трубу, нагреватель, выпускной клапан, холодильник, впускной и перепускной клапаны. Двигатель работает по замкнутому газовому циклу. Основным недостатком двигателя (и способа его работы) является то, что полость расширения большого цилиндра постоянно сообщена с полостями буферной трубы, нагревателя и регенератора, являющимися паразитными объемами, превышающими объем расширения цилиндра в несколько раз и, следовательно, пропорционально снижающие эффективность цикла, что делает процесс нерациональным.

Ближайшим аналогом является "Способ работы двигателя внешнего нагрева" и его устройство, описанные в патенте РФ 2131532 по кл. 6 F 02 G 1/04. По этому способу осуществляют рабочий цикл в спаренных (горячем и холодном) цилиндрах двойного действия, работающих со сдвигом по фазе на 180^o, где после окончания такта расширения в горячем и такта сжатия в холодном цилиндрах все полости сообщают друг с другом, в результате чего давление усредняется и масса рабочего тела (р.т.) в холодной полости сжатия оказывается больше, чем в полостях горячего цилиндра. Вследствие этого возрастает величина изохорных процессов нагрева и охлаждения р.т., поэтому площадь P,V-диаграммы и КПД цикла увеличивается.

Существенными недостатками описанного цикла является то, что в четырех переменных объемах (поршневых и штоковых) горячего и холодного цилиндров за один оборот вала отбора мощности происходит только один рабочий ход, а процесс наддува р.т. из горячего цилиндра в холодный быстротечен, а объемы переменны, что делает процесс теплообмена не стационарным и затрудняет теплообмен, а так как половина газораспределительных механизмов расположена в горячей зоне, так же как и уплотнение горячего штока, то это усложняет устройство двигателя и снижает его надежность.

Предлагаемое изобретение призвано решить задачи осуществления в четырех переменных объемах двух рабочих цилиндров двух рабочих ходов за один оборот вала отбора мощности, при изобарных процессах расширения и вытеснения рабочего тела, улучшения процессов теплообмена в регенераторах, размещения газораспределительных механизмов и уплотнения штоков в холодных зонах и улучшения всех относительных показателей двигателя.

Сущностью изобретения, решающего все вышеупомянутые задачи является то, что устройство содержит компенсатор максимального и компенсатор минимального давлений, а в каждом цилиндре образованы поршневая полость расширения и штоковая полость сжатия, выполненные с возможностью периодического сообщения либо с компенсатором максимального давления, либо с компенсатором минимального давления.

Для иллюстрации предлагаемого устройства и способа работы двигателя на чертежах показаны последовательные положения штокопоршневой группы и элементов газораспределения: на фиг.1 - в позиции нижней мертвой точки (НМТ), на фиг. 2 - в позиции движения штокопоршневой группы вверх и на фиг.3 - в позиции верхней мертвой точки (ВМТ). На фиг.4, 5, 6 представлены диаграммы теоретических процессов (без учета потерь на паразитные объемы, гидравлические и тепловые потери): на фиг.4 представлена P,V-диаграмма процесса в поршневых полостях расширения, на фиг.5 представлена P,V-диаграмма процесса в штоковых полостях сжатия и на фиг.6 - обобщенная Q,h-диаграмма работы двигателя.

Предлагаемое устройство, см. фиг. 1, 2 и 3, представляет собой заполненную газообразным рабочим телом (р. т. ) замкнутую герметичную систему двигателя, сообщенную с двумя компенсаторами, в одном из которых давление всегда максимально, а в другом - всегда минимально. На чертеже схематично изображен двигатель с двумя оппозитно расположенными цилиндрами 1 и 2 двойного действия, в которых образованы, соответственно, поршневые полости расширения 3 и 4 и штоковые полости сжатия 5 и 6, разделенные поршнями 7 и 8, расположенными на общем штоке 9. Штокопоршневая группа 7, 8, 9 кинематически связана с силовым механизмом отбора мощности, на чертеже условно не показанном. Поршневые полости расширения 3 и 4 постоянно сообщены, соответственно, с подогревателями 10 или 11 и регенераторами 12 или 13 и, через посредство распределительных кранов 14 или 15, могут быть сообщены, либо через холодильники 16 или 17 с компенсатором 18 низкого давления, либо через каналы 19 или 20 с компенсатором 21 максимального давления. Штоковые полости сжатия 5 и 6 так же могут быть сообщены либо с компенсатором 21 максимального давления, через обратные клапаны 22 или 23 и через холодильники 24 или 25, либо с компенсатором 18 минимального давления через обратные клапаны 26 или 27, соответственно. В обоих компенсаторах р.т. находится при минимальной температуре и постоянных заданных давлениях Р_max и P_min, a величины их объемов, равны или более суммы объемов цилиндров.

Сущность предлагаемого способа работы двигателя заключается в том, что рабочий цикл организован в виде двух встречных процессов: в поршневых полостях - изохорного впуска рабочего тела - при сообщении полости расширения с компенсатором максимального давления, изобарного процесса расширения - во время рабочего хода, изохорного выхлопа и изобарного вытеснения его в компенсатор минимального давления, а в штоковых полостях - изотермического сжатия рабочего тела, изобарного вытеснения его в компенсатор максимального давления, адиабатного расширения рабочего тела в паразитном объеме и последующего изобарного всасывания рабочего тела из компенсатора минимального давления, а выполнение стабильного рабочего процесса обеспечивают отношением объема штоковой полости - V_ш к объему поршневой полости - V_п, при котором



где Т_min - минимальная, а Т_max - максимальная температуры рабочего тела и Р_max - давление в компенсаторе максимального давления, а Р_min - давление в компенсаторе минимального давления.

Для иллюстрации способа работы двигателя рассмотрим работу двигателя, показанного на фиг. 1, 2 и 3. Когда штокопоршневая группа находится в НМТ, компенсатор 21 максимального давления сообщают через канал 20, кран 15, регенератор 13 и подогреватель 11 с поршневой полостью расширения 4, в нее устремляется р.т., отбирая теплоту в регенераторе 13 и подогревателе 11 и поступает в нее уже при максимальной температуре Т_max и максимальном давлении Р_max. При этих параметрах, т.е. при постоянном давлении и температуре, совершается весь рабочий ход вверх. Так как в течение всего рабочего хода р.т. поступает из компенсатора - 21 максимального давления поэтому рабочий ход совершается по изобарному процессу.

Одновременно с рабочим ходом в поршневой полости расширения 4, в штоковой полости сжатия 6 происходит изотермическое сжатие р.т. и, когда его давление поднимется до Р_max, см. фиг.2, то обратный клапан 23 откроется, и все р. т. из нее к концу хода вверх, будет вытеснено через холодильник 25 в компенсатор 21 максимального давления.

Исходя из уравнения Менделеева-Клайперона



максимальные объемы поршневых полостей расширения - V_p и штоковых полостей сжатия - V_c выбирают из условия, при котором



следовательно масса горячего р.т. в максимальном объеме рабочей полости будет всегда равна массе холодного р.т. в максимальном объеме компрессионной полости, поэтому к концу хода масса (весовое количество) р.т. в компенсаторе 21 максимального давления останется прежним, так как сколько р.т. поступает из него в поршневую полость столько же его и вытесняется из штоковой полости снова в компенсатор максимального давления.

Одновременно с описанными процессами, в верхнем цилиндре - 1, см. фиг.1, из поршневой полости расширения 3, сначала произойдет выхлоп горячего р.т. в компенсатор 18, минимального давления, через подогреватель 10, регенератор 12, которому оно отдаст накопленную теплоту и через кран 14 в холодильник 16, где оно охладится до минимальной температуры T_min, а затем оставшаяся часть р.т. вытиснится этим же путем в компенсатор 18 минимального давления.

Одновременно с этим процессом в штоковую полость сжатия 5, см. фиг.2, произойдет всасывание р.т., через холодильник 24, клапан 26, такого же количества массы холодного р.т., какое туда поступило из поршневой полости расширения 3.

При подходе штокопоршневой группы 9, 7, 8 к ВМТ, см. фиг.3, в оппозитных цилиндрах двигателя описанные процессы повторятся в обратном порядке и, при ходе штокопоршневой группы вниз, в верхнем цилиндре произойдет второй рабочий ход, следовательно за один оборот вала отбора мощности произойдет два рабочих хода.

На фиг. 4 показана P,V-диаграмма рабочего процесса в поршневой полости расширения, при котором: после уменьшения ее объема до минимального значения, см. точку 1 на диаграмме, ее сообщают с компенсатором максимального давления, в результате чего давление в ней повышается по изохоре 1-2 от Р_min до Р_max, а затем происходит рабочий ход расширения р.т. по изобаре 2-3, после чего следует выхлоп р.т. в компенсатор минимального давления по изохоре 3-4 и давление в поршневой полости падает от Р_mах до P_min, и затем происходит вытеснение оставшегося после выхлопа р.т., по изобаре 4-1.

Одновременно с рабочим ходом расширения в поршневой полости, в штоковой полости сжатия этого же цилиндра, объем которой достиг максимального значения, см. на фиг. 5 точку 1 диаграммы P,V ее работы, в ней по изотерме 1-2 начнется сжатие р. т. и его давление поднимется от P_min до Р_mах, затем по изобаре 2-3 сжатое р.т. будет вытеснено в компенсатор максимального давления, а затем в результате обратного движения поршня объем штоковой полости сжатия начнет увеличиваться и давление в ней упадет от Р_mах до P_min, см. адиабату 3-4, после чего произойдет всасывание р.т. из компенсатора минимального давления.

Поскольку величина газовой составляющей силы Q определяется как произведение давления на площадь, то для поршневой полости при расширении р.т. имеем: Q_п= РF_п, для штоковой полости Q_ш=РF_ш. Следовательно работа, полученная при расширении р.т. в поршневой полости, - А_п=Q_пh, где h - величина хода поршня, а работа, затраченная на сжатие и вытеснение р.т. в штоковой полости, - А_сж=Q_шh_сж и А_в=Q_вh_в, где h_сж - ход поршня при сжатии р.т., h_в - ход поршня при вытеснении р.т. На обобщенной диаграмме Q, h показаны: работа расширения площадью 1-2-3-4, работа сжатия - площадью 1-5-8 и работа вытеснения р.т. в компенсатор высокого давления описана площадью 5-6-7-8; следовательно полезная работа, А=А_р-А_сж-А_в, будет представлена площадью 1-2-3-6-5 плюс площадь 6-4-7, или приведенной площадью 1-9-10-4.

Отношение полезной работы к работе расширения является теоретическим КПД двигателя.

Из вышеизложенного следует, что по предлагаемому изобретению можно строить компактные и высокоэкономичные двигатели с внешним подводом теплоты, превосходящие по абсолютным и относительным показателям все известные тепловые двигатели.