двигатель внешнего нагрева двойного действия и способ его работы

Формула изобретения

1. Двигатель внешнего нагрева двойного действия, содержащий пары расположенных соосно горячих и холодных цилиндров, поршни, установленные в цилиндрах с образованием двух рабочих полостей, поршневой и штоковой, газовые магистрали, соединяющие одноименные полости горячего и холодного цилиндров и включающие холодный, горячий и рекуперативный (или регенеративный) теплообменники, и механизм привода, связанный с каждым поршнем через шток, отличающийся тем, что имеет по меньшей мере одну пару соосно расположенных горячего и холодного цилиндров, а шток горячего поршня и шток холодного поршня связаны с механизмом привода независимо друг от друга, причем кинематика механизма привода обеспечивает возможность одновременного развода поршней друг от друга, когда поршни находятся в верхней части цилиндров, и последующего сведения поршней друг к другу, когда поршни находятся в нижней части цилиндров.

2. Способ работы двигателя внешнего нагрева двойного действия по п. 1, при котором две массы рабочего тела, расположенные первая в поршневых полостях холодного и горячего цилиндров и соединяющей их газовой магистрали, включающей холодный, горячий и рекуперативный (или регенеративный) теплообменники, а вторая в штоковых полостях цилиндров и аналогичной газовой магистрали, поочередно повторяют газовый цикл, перемещаясь поршнями сначала в полость горячего цилиндра с подводом теплоты в рекуператоре и горячем теплообменнике, где расширяются, совершая полезную работу, а затем перемещаются поршнями в полость холодного цилиндра с отводом теплоты в рекуператоре и холодном теплообменнике, где сжимаются, отличающийся тем, что при расширении рабочего тела в штоковых полостях поршни холодного и горячего цилиндров одновременно расходятся, смещаясь в стороны друг от друга, а при расширении рабочего тела в поршневых полостях поршни одновременно сходятся друг к другу, а перепуск одной массы рабочего тела из горячей полости в холодную происходит одновременно с перепуском другой массы рабочего тела из холодной рабочей полости в горячую.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в качестве силовой установки, а именно двигателя с внешним подводом теплоты. Также изобретение может быть использовано в виде холодильной машины или теплового насоса, если установка будет работать по обращенному термодинамическому циклу (впрочем как и любой другой двигатель с внешним подводом теплоты, работающий по замкнутому циклу).

Известен двигатель Стирлинга двойного действия, имеющий четыре цилиндра, оси которых параллельны друг другу, в каждом из цилиндров установлен поршень, разделяющий цилиндр на две рабочие полости: поршневую (горячую) и штоковую (холодную). Поршневая полость каждого цилиндра соединена со штоковой полостью следующего цилиндра газовой магистралью, включающей холодный, горячий и регенеративный теплообменники. Штоки всех цилиндров связаны с механизмом привода, выполненным в виде вала с косой шайбой [1].

Известен также аналогичный двигатель двойного действия, газовые магистрали которого снабжены рекуперативными теплообменниками [2].

К недостаткам данной конструктивной схемы следует отнести сложность конструкции, обусловленную наличием четырех плотно скомпонованных цилиндров и четырех газовых магистралей с теплообменниками. Такой двигатель имеет значительные тепловые потери, вызванные "перетеканием" тепла по стенкам цилиндра и поршня. Продукты сгорания, подводящие тепло к горячему теплообменнику и верхней части цилиндра, располагаются очень близко к системе охлаждения, отводящей тепловую энергию от холодного теплообменника и нижней рабочей полости цилиндра. Это ведет к потерям тепла и требует полых и вытянутых в осевом направлении поршней, сложной системы теплоизоляции. Увеличенные размеры поршней и телескопически расположенные штоки приводят к увеличению массы движущихся деталей. Соответственно усложняется балансировка.

Известен двигатель внешнего нагрева двойного действия, имеющий две пары цилиндров. Каждая пара содержит расположенные на одной оси холодный и горячий цилиндры. Поршни соосных цилиндров соединены одним штоком, связанным в средней части с механизмом привода. Каждый поршень разделяет цилиндр на две рабочие полости: поршневую и штоковую. Каждая из рабочих полостей горячего цилиндра соединена с рабочей полостью холодного цилиндра газовой магистралью, включающей холодный, горячий и регенеративный теплообменники, причем штоковая полость горячего цилиндра может быть соединена со штоковой полостью холодного цилиндра, а поршневая полость горячего цилиндра - с поршневой полостью холодного цилиндра [3]. Такой двигатель имеет по меньшей мере две пары соосных горячих и холодных цилиндров. Механизм привода выполнен в виде бесшатунного механизма по схеме Баландина [4] и обеспечивает гармоническое движение четырех поршней с опережением фазы перемещения каждого на 90^o относительно предыдущего.

Известен способ работы двигателя Стирлинга [1], [2] и аналогичный способ работы, реализованный в конструкции двигателя внешнего нагрева двойного действия [3] , взятого в качестве прототипа. Рассмотрим способ работы последнего двигателя на примере двух рабочих цилиндров, связанных газовыми магистралями: поршневая полость с поршневой, штоковая со штоковой.

Способ заключается в следующем. Две массы рабочего тела, заключенные в замкнутых объемах, каждый из которых имеет горячую и холодную рабочие полости, соединенные газовой магистралью с теплообменниками, поочередно перемещаются поршнями из холодной рабочей полости через газовую магистраль с подводом теплоты в регенеративном и горячем теплообменниках в горячую рабочую полость, где рабочее тело расширяется с подводом тепла, перемещая поршень и совершая полезную работу, затем рабочее тело перемещается поршнями из горячей полости через газовую магистраль с отводом теплоты в регенеративном и холодном теплообменниках в холодную рабочую полость, где рабочее тело сжимается с отводом теплоты. При расширении к рабочему телу подводится теплота через стенку рабочей полости и горячий теплообменник, при сжатии аналогично теплота отводится. Фазы движения поршней смещены на 90^o по углу поворота коленвала.

Недостатком двигателя является сложная металлоемкая конструкция, т.к. для его работы необходимы по меньшей мере два горячих и два холодных цилиндра и четыре газовые магистрали с теплообменниками. Каждая из четырех газовых магистралей имеет свою особую форму. Каждый из горячих цилиндров должен оснащаться газогорелочным блоком (или другой системой подвода тепла), а каждый из холодных цилиндров - системой охлаждения. Это усложняет компоновку двигателя и увеличивает его стоимость.

Недостатком способа работы является то, что расширение одной массы рабочего тела с совершением полезной работы и сжатие другой массы рабочего тела в холодной рабочей полости происходит не одновременно, а со сдвигом фазы. Значит, усилие, необходимое для сжатия рабочего тела, будет передаваться на поршень холодного цилиндра через механизм привода (коленвал), дополнительно нагружая детали механизма. Следовательно, необходим более мощный механизм привода и дополнительная пара цилиндров, которая обеспечит это усилие.

Известен ромбический механизм привода двигателя Стирлинга, содержащий два коленвала, на которых установлены два синхронизирующих зубчатых колеса, четыре шатуна, шарнирно соединенных одним концом с шейкой коленвала, а другим - с траверсой штока рабочего или вытеснительного поршня, причем оси вращения коленвалов смещены в поперечном направлении относительно оси крепления шатуна к траверсе [1]. Величина этого смещения, измеренного по нормали к оси штока, называется дезаксиалом.

Указанный механизм может быть использован в заявленной конструкции в качестве силового механизма привода при условии, что величина дезаксиала не меньше радиуса вращения шейки коленвала.

Цель изобретения - упрощение конструкции двигателя внешнего нагрева двойного действия.

Поставленная цель достигается тем, что двигатель внешнего нагрева двойного действия, содержащий пары соосно расположенных горячего и холодного цилиндров, поршни, установленные в цилиндрах с образованием двух рабочих полостей: поршневой и штоковой, газовые магистрали, соединяющие одноименные полости горячего и холодного цилиндров и включающие холодный, горячий и рекуперативный (или регенеративный) теплообменники, и механизм привода, связанный с каждым из поршней через шток, согласно изобретению имеет по меньшей мере одну пару соосно расположенных горячего и холодного цилиндров, а штоки горячего и холодного поршней связаны с механизмом привода независимо друг от друга, причем кинематика механизма привода обеспечивает возможность одновременного развода поршней в стороны друг от друга, когда поршни находятся в верхней части цилиндров, и последующего сведения поршней друг к другу, когда поршни находятся в нижней части цилиндров.

Поставленная цель достигается также тем, что в способе работы описанного выше двигателя внешнего нагрева двойного действия, при котором две массы рабочего тела, расположенные, первая в поршневых полостях холодного и горячего цилиндров и соединяющей их газовой магистрали, включающей холодный, горячий и рекуперативный (или регенеративный) теплообменники, а вторая в штоковых полостях цилиндров и аналогичной соединяющей их газовой магистрали, поочередно повторяют газовый цикл, перемещаясь поршнями сначала в полость горячего цилиндра с подводом теплоты в рекуператоре и горячем теплообменнике, где расширяются, совершая полезную работу, а затем перемещаются поршнями в полость холодного цилиндра, с отводом теплоты в рекуператоре и холодном теплообменнике, где сжимаются, согласно изобретению при расширении рабочего тела в штоковых полостях поршни холодного и горячего цилиндров одновременно расходятся, смещаясь в стороны друг от друга, а при расширении рабочего тела в поршневых полостях поршни одновременно сходятся друг к другу, а перепуск одной массы рабочего тела из горячей полости в холодную происходит одновременно с перепуском другой массы рабочего тела из холодной рабочей полости в горячую.

Именно заявленная группа отличительных признаков устройства обеспечивает необходимую последовательность работы двигателя согласно описанному способу. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сопоставительный анализ с прототипом [3] показывает, что заявленная конструкция имеет указанные отличительные признаки. Сравнительный анализ с известными конструкциями двигателей двойного действия не выявил указанного комплекса отличительных признаков. Таким образом подтверждается соответствие критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг.1 показан предлагаемый двигатель внешнего нагрева двойного действия. На фиг. 2 - тот же двигатель с другим положением механизма. На фиг.3 показан механизм привода. На фиг.4 схематично показана последовательность работы двигателя. На фиг.5 - PV-диаграмма теоретического цикла Стирлинга. На фиг. 6 - расчетная PV-диаграмма состояния рабочего тела в штоковых и поршневых полостях.

Двигатель внешнего нагрева двойного действия содержит соосно расположенные горячий цилиндр 1 и холодный цилиндр 2, установленные на корпусе 3. В горячем цилиндре 1 установлен поршень 4, образующий две рабочие полости: поршневую 5 и штоковую 6. В холодном цилиндре 2 установлен поршень 7, образующий две рабочие полости: поршневую 8 и штоковую 9. Поршневая полость 5 горячего цилиндра 1 и поршневая полость 8 холодного цилиндра 2 соединены газовой магистралью 10, включающей горячий теплообменник 11, каналы 12 рекуперативного противоточного теплообменника 13 и холодный теплообменник 14. Штоковая полость 6 горячего цилиндра 1 и штоковая полость 9 холодного цилиндра 2 соединены газовой магистралью 15, включающей горячий теплообменник 16, каналы 17 рекуперативного противоточного теплообменника 13 и холодный теплообменник 18.

Поршень 4 горячего цилиндра 1 и поршень 7 холодного цилиндра 2 через штоки 19 и 20 шарнирно связаны с четырьмя шатунами 21 и 22. Другие концы шатунов соединены с шейками 23, 24 коленвалов 25, 26. На коленвалах 25, 26 установлены зубчатые колеса 27, 28, находящиеся в зацеплении и синхронизирующие вращение коленвалов.

Двигатель работает следующим образом.

Рассмотрим положение механизма, когда шейка коленвала 23, пройдя мертвую точку М, сместилась несколько выше оси вращения коленвала 25, как показано на фиг.1. (Коленвалы работающего двигателя вращаются, как показано на фиг.1: коленвал 25 - по часовой стрелке, а коленвал 26 - против часовой стрелки). В этом положении рабочее тело, заполняющее поршневые полости 5 и 8 и газовую магистраль 10, переместится из-за того, что объем полости 5 в горячем цилиндре станет меньше, чем объем полости 8 в холодном цилиндре. Это приведет к снижению средней температуры рабочего тела и, как следствие, снижению давления в этих полостях. Рабочее тело, заполняющее штоковые полости 6 и 9 и газовую магистраль 15, будет перемещаться так, что объем полости 6 в горячем цилиндре станет больше, чем объем полости 9 в холодном цилиндре. Это приведет к повышению средней температуры рабочего тела и повышению давления в этих полостях. Под действием повышенного давления в штоковых полостях 6 и 9 возникают силы P₁ и Р₂, стремящиеся раздвинуть поршни в разные стороны. Эти силы передаются на шатуны 21, 22. В результате на шейку 23 коленвала 25 и на шейку 24 коленвала 26 действуют результирующие силы F₁, F₂, направленные навстречу друг другу, перемещающие шейки коленвалов к оси штоков. Под действием этих сил коленвалы поворачиваются и приближаются ко второй мертвой точке - N.

Пройдя точку N, шейки коленвалов сместятся несколько ниже оси вращения коленвала 25, как показано на фиг.2. При этом объем поршневой полости 5 горячего цилиндра будет увеличиваться, а объем поршневой полости 8 холодного цилиндра будет уменьшаться, вытесняя рабочее тело в полость 5 горячего цилиндра 1. Объемы штоковых полостей 6 и 9 изменяются в обратном порядке, вытесняя рабочее тело из полости 6 горячего цилиндра 1 в полость 9 холодного цилиндра 2.

При вытеснении холодного рабочего тела из полости 8 оно проходит холодный теплообменник 14 (с незначительным понижением температуры), далее двигается по каналам 12 противоточного теплообменника 13, нагреваясь от горячего рабочего тела, движущегося в этот момент в противоположном направлении по каналам 17 из горячей рабочей полости 6, после чего проходит горячий теплообменник 11, где нагревается до расчетной температуры, и нагретым поступает в рабочую полость 5 горячего цилиндра.

Аналогично, рабочее тело, вытесняемое из полости 6 горячего цилиндра 1, проходит горячий теплообменник 16, далее, проходя по каналам 17 противоточного теплообменника 13, отдает часть тепла рабочему телу, движущемуся в противоположном направлении по каналам 12 из холодной рабочей полости 8, после чего проходит холодный теплообменник 18, где охлаждается до температуры холодного цилиндра 2, и поступает в рабочую полость 9. Это приводит к снижению средней температуры рабочего тела и понижению давления в штоковых полостях 6 и 9 и повышению средней по объему температуры рабочего тела в поршневых полостях 5 и 8 с увеличением давления. Под действием повышенного давления в поршневых полостях 6 и 9 возникают силы Р₃ и Р₄, стремящиеся сблизить поршни. Эти силы передаются на шатуны и на шейки 23, 24 коленвалов 25, 26. Результирующие силы F₃, F₄, направленные в сторону от оси штоков, перемещают в этом направлении шейки коленвалов, поворачивая коленвалы и приводя их в исходное положение, к точке М. Далее цикл повторяется.

На фиг.3 показан кривошипно-шатунный механизм с радиусом вращения шейки коленвала - r и дезаксиалом - е. При соотношении rе сила F₃, действующая на шейку коленвала вблизи точки N (точки N и М являются мертвыми точками механизма привода), всегда направлена в сторону от оси штоков и выводит механизм из "мертвого" положения.

Рассмотрим подробнее способ работы двигателя.

Условно работу двигателя можно разделить на четыре этапа. На фиг.4 схематично показана последовательность работы двигателя, положения механизма при переходе от одного этапа к другому.

1. При движении коленвала на участке а-b происходит перемещение поршней вверх. В это время идет активное перетекание масс рабочего тела из поршневой полости горячего цилиндра в поршневую холодного и из штоковой холодного в штоковую горячего. В это время смещение поршней относительно друг друга незначительно. Общий объем штоковых полостей, как и поршневых, в начале (положение а) и в конце (положение b) этапа одинаков. Поэтому процесс условно можно считать изохорным.

2. На участке b-с поршни горячего и холодного цилиндров находятся в верхней части цилиндров. Под действием высокого давления рабочего тела в штоковых полостях поршни расходятся относительно друг друга в разные стороны. Рабочее тело в штоковых полостях расширяется, совершая полезную работу и сжимая рабочее тело в поршневых полостях.

3. На участке c-d поршни перемещаются в нижнее положение. Основная масса рабочего тела штоковых полостей перемещается в холодный цилиндр, поршневых - в горячий цилиндр. Смещение поршней относительно друг друга незначительно.

4. На участке d-a поршни горячего и холодного цилиндров находятся в нижней части цилиндров. Под действием расширяющегося рабочего тела в поршневых полостях поршни сходятся, смещаясь друг к другу. Рабочее тело в поршневых полостях расширяется с подводом теплоты, совершает полезную работу и сжимает рабочее тело в штоковых полостях.

Можно рассматривать расширение рабочего тела с подводом теплоты и сжатие с отводом теплоты как изотермические процессы, а вытеснение газа из одной полости в другую - изохорным процессом. Тогда теоретический цикл рабочего тела можно рассматривать как классический цикл Стирлинга. На фиг.5 показана PV-диаграмма с характерными точками для штоковых полостей. Более точно параметры рабочего цикла в двигателе отражает PV-диаграмма на фиг.6, построенная при расчетном анализе газодинамического цикла двигателя. На диаграммах указаны характерные точки в соответствии с положением двигателя на фиг.4.

Для сравнения рассмотрим подробно способ работы двигателя-прототипа на примере двух рабочих цилиндров, связанных газовыми магистралями: поршневая полость с поршневой, штоковая со штоковой.

Исходное положение - оба поршня находятся вблизи верхней мертвой точки (ВМТ), т.е. обе штоковые полости имеют большой объем, поршневые - маленький.

1. В горячем цилиндре рабочий ход, поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Сжатый в поршневых полостях газ расширяется, совершая полезную работу. В это время в штоковых полостях идет процесс вытеснения рабочего тела из горячего цилиндра в холодный (именно вытеснения, а не сжатия).

2. Поршень холодного цилиндра перемещается от ВМТ к НМТ, в штоковых полостях процесс сжатия, т. к. именно сейчас давление в штоковых полостях увеличивается и требуется основная доля энергии для сжатия рабочего тела. Но поршень горячего цилиндра уже передал почти всю энергию расширяющихся газов на коленвал. Давление в поршневых полостях упало, а в штоковых полостях выросло. Усилие на поршне мало. Необходима дополнительная энергия маховика или другой пары цилиндров, чтобы сжать газ в штоковых полостях. В это время в поршневых полостях часть рабочего тела отводится в полость холодного цилиндра.

3. В горячем цилиндре поршень перемещается от НМТ к ВМТ, рабочий ход. Газ, сжатый в штоковых полостях, расширяется и совершает полезную работу. В поршневых полостях - вытеснение рабочего тела в полость холодного цилиндра.

4. Поршень холодного цилиндра перемещается от НМТ к ВМТ, в поршневых полостях процесс сжатия. Аналогично п.2 рабочий ход в горячем цилиндре в основном завершен. Необходима энергия для сжатия рабочего тела в поршневых полостях. В штоковых полостях - отвод части рабочего тела в холодный цилиндр.

Далее цикл повторяется.

Видно, что процессы расширения в горячем цилиндре и сжатие в холодном цилиндре проходят на разных этапах работы. Однако для плавной работы двухцилиндрового двигателя необходимо одновременное расширение в горячем цилиндре и сжатие в холодном, как это происходит в заявленном способе работы.

Отметим некоторые преимущества заявленного двигателя.

Предложенная конструкция значительно проще прототипа. Двигатель имеет два цилиндра, два поршня и механизм привода, аналогичный ромбическому механизму Мейера [1], т.е. по сложности конструкции сравним с классическим двигателем Стирлинга, который вращает коленвалы лишь при рабочем ходе поршня, а при обратном ходе должен затратить кинетическую энергию маховика и потенциальную энергию газов, сжатых в буферной полости, на сжатие рабочего тела в холодной полости цилиндра.

Двигатель двустороннего действия совершает полезную работу, т.е. вращает коленвал как при прямом, так и при обратном ходе поршня. Это дает более плавное вращение коленвала, позволяет уменьшить массу маховика или вообще исключить маховик, а следовательно, иметь легкий запуск и быстрый выход на высокооборотные режимы работ (приемистость).

Двигатель может оснащаться как регенеративным, так и рекуперативным теплообменником.

В заявленном двигателе максимальная разность давлений между штоковыми и поршневыми полостями будет достигнута во время нахождения поршней вблизи крайнего верхнего или крайнего нижнего положений. Именно тогда результирующие силы, действующие на коленвалы, будут максимальны. В этот момент плечо действия результирующей силы на коленвалы велико (приближается к радиусу вращения шейки коленвала), что позволяет максимально эффективно преобразовать усилие в крутящий момент. Т.о. кинематика механизма привода позволяет эффективно преобразовать полезную работу поршней в кинетическую энергию вращения коленвала.

Процессы расширения одной массы рабочего тела с совершением полезной работы и сжатия другой массы рабочего тела происходят одновременно. Усилие от расширяющейся массы рабочего тела к сжимаемой массе рабочего тела передается непосредственно через поршни холодного и горячего цилиндров, не нагружая механизм привода и без использования дополнительных цилиндров.

Источники информации

1. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. Пер. с англ. Б.В. Сутугина. - М.: Машиностроение, 1985, с.315, рис.14.5, с.357, рис.16.9.

2. Авт. св. СССР 1268774, F 02 G 1/04, 11.01.85.

3. Авт. св. СССР 1733664, F 02 G 1/043, 16.04.90.

4. Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972.