ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА

Полезная модель относится к двигателестроению и может найти широкое применение при создании двигателей с внешним подводом тепла.
Известен двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий, по меньшей мере, один расширительный и один компрессионный цилиндры, в каждом из которых размещен поршень, связанный механизмом преобразования движения с валом двигателя, и снабженные впускным и выпускным органами, расширительную магистраль с нагревателем, которая подключена к впускному органу расширительного цилиндра и выпускному органу компрессионного цилиндра, и компрессионную магистраль с охладителем, которая подключена к выпускному органу расширительного цилиндра и впускному органу компрессионного цилиндра, механизмы управления выпускным и впускным органами расширительного цилиндра, последний из которых содержит штангу, связанную через коромысло с впускным органом, отличающийся тем, что впускной орган компрессионного цилиндра и выпускной орган расширительного цилиндра выполнены в поршнях, механизм управления впускным органом расширительного цилиндра содержит зацеп, выполненный в поршне, и крюк, выполненный на штанге, причем на штанге и со стороны расширительного цилиндра сделаны наклонные встречно-параллельные поверхности, а механизм управления выпускным органом расширительного цилиндра состоит из фиксатора открытого и закрытого положений, выполненного в поршне, и толкателя, установленного в нижней части цилиндра.
При этом, двигатель снабжен механизмом управления фазой газораспределения впускного органа расширительного цилиндра в зависимости от разности давлений между расширительной и компрессионной магистралями и расширительные и компрессионные цилиндры расположены поочередно (см. патент RU, №2105156, Мкл. F01B 3/02. F01B 29/08. опубл. 20.02.98 г.).
Перечисленная совокупность признаков известного двигателя, по мнению ее создателей, позволяет повысить эффективность работы заявляемого двигателя вследствие наиболее полного использования перепада температур и давлений во всем диапазоне нагрузок и уменьшения потерь при газообмене.
А выполнение впускного органа компрессионного цилиндра и выпускного органа расширительного цилиндра в поршнях, позволяет сделать геометрические характеристики впускных и выпускных органов максимальных размеров, и вследствие чего, максимально уменьшить сопротивление при впуске и выпуске рабочего тела. Механизм управления впускным органом расширительного цилиндра известного устройства, по мнению его создателей, позволяет открывать впускной орган в начале такта расширения, и тем самым исключить потери на компрессию нагретого рабочего тела. А механизм управления выпускным органом расширительного цилиндра позволяет автоматически держать открытым выпускной орган во время всего такта выпуска, и тем самым наиболее полно очищать цилиндр от отработавшего рабочего тела.
Механизмом управления фазой газораспределения впускного органа расширительного цилиндра позволяет регулировать продолжительность открытия органа, и тем самым сохранить эффективность работы двигателя в широком интервале нагрузки.
На эффективные показатели двигателя известной конструкции влияет объем расширительной магистрали. Чем меньше ее объем, тем выше динамические качества двигателя. Поэтому для максимального сокращения ее объема, цилиндры расположены поочередно.
Не смотря на перечисленные достоинства известного двигателя, ему присущи недостатки. Так в известной конструкции не полностью раскрыты функциональные возможности, вследствие ограниченных возможностей механизма управления фазой газораспределения.
Кроме того, известная конструкция не способна рециркулировать отработанные отходящие газы. Помимо этого, известная конструкция не исключает потери на трение в двигателе, что не позволяет ей достигнуть требуемого КПД.
Кроме того, известная конструкция экологически не безопасна, поскольку выбрасываемые в атмосферу из камеры сгорания отработанные газы содержат токсичные вещества: окись углерода, несгораемые углеводородов, возникающие вследствие недостатка кислорода.
Известен двигатель с внешним подводом тепла, выбранный в качестве ближайшего аналога, содержащий теплоизоляционный кожух, вал, зону охлаждения и, связанную с нагревательным элементом, зону нагрева, размещенные в кожухе, по меньшей мере, два рабочих цилиндра, с расположенными внутри каждого из них поршнями, при этом рабочие цилиндры расположены параллельно друг другу и оси кожуха, а кожух выполнен цилиндрическим с возможностью осуществления вращения и в виде концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, двигатель включает фланцы, один из которых закрывает клапанная доска с всасывающим и нагнетательным клапанами и каналами для прохождения рабочего тела, клапанная доска закрыта корпусом, в котором выполнены технологические отверстия для прохождения воздуха и крепления вращающего механизма, причем, вал с одной стороны присоединен к вращающему механизму, а с другой стороны закреплен в кожухе, рабочие цилиндры при этом расположены по окружности в сформированном наружной и внутренней стенками кожуха межтрубном пространстве и поочередно контактируют с зонами нагрева и охлаждения, в качестве среды для нагрева и охлаждения используют воздух, удаление и подачу которого осуществляют через отверстия, выполненные соответственно в наружной и внутренней стенках кожуха, смещенными одно относительно другого, при этом, двигатель включает эластичную перегородку, расположенную поперек межтрубного пространства в промежутке между данными отверстиями, образованном данным смещением и выполненную таким образом, чтобы обеспечить беспрепятственный проход через нее рабочих цилиндров при вращении (см. патент RU №104247, М. кл. F02G 1/04, опубл. 10.05.2011 г.).
Технический результат, на решение которого направлена известная полезная модель, является значительное повышение КПД двигателя и снижение выброса токсических веществ в окружающую среду.
Однако, в известной конструкции нагрев воздуха осуществляется в камере сгорания, расположенной в межтрубном пространстве с помощью расположенных там форсунок, что значительно усложняет ремонт форсунок, в случае выхода их из строя из-за их труднодоступности и необходимости при этом, разбирать кожух двигателя.
Помимо этого, известная конструкция не безопасна. Это объясняется тем, что для обеспечения работы данных форсунок, к ним требуется подводить топливо непосредственно в камеру сгорания, что в случае выхода из строя форсунки или подающего топливо трубопровода, может привести к неконтролируемому горению топлива, а в случае вытекания топлива в межтрубное пространство к воспламенению двигателя.
При этом, в известном двигателе, в качестве топлива возможно применение только газа, поскольку использование других видов топлива, например, бензина, керосина, солярки, пожаро- и экологически не безопасно.
Таким образом, техническим результатом, на решение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение ремонтопригодности двигателя, повышение его безопасности и расширение вида используемого топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что в двигателе с внешним подводом тепла, содержащем теплоизоляционный кожух, вал, зону охлаждения и, связанную с нагревательным элементом, зону нагрева, размещенные в кожухе, по меньшей мере, два рабочих цилиндра, с расположенными внутри каждого из них поршнями, при этом рабочие цилиндры расположены параллельно друг другу и оси кожуха, а кожух выполнен цилиндрическим с возможностью осуществления вращения и в виде концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, двигатель включает фланцы, один из которых закрывает клапанная доска с всасывающим и нагнетательным клапанами и каналами для прохождения рабочего тела, клапанная доска закрыта корпусом, в котором выполнены технологические отверстия для прохождения воздуха и крепления вращающего механизма, причем, вал с одной стороны присоединен к вращающему механизму, а с другой стороны закреплен в кожухе, рабочие цилиндры при этом расположены по окружности в сформированном наружной и внутренней стенками кожуха межтрубном пространстве и поочередно контактируют с зонами нагрева и охлаждения, в качестве среды для нагрева и охлаждения используют воздух, удаление и подачу которого осуществляют через отверстия, выполненные соответственно в наружной и внутренней стенках кожуха, смещенными одно относительно другого, при этом, двигатель включает эластичную перегородку, расположенную поперек межтрубного пространства в промежутке между данными отверстиями, образованном данным смещением и выполненную таким образом, чтобы обеспечить беспрепятственный проход через нее рабочих цилиндров при вращении, согласно полезной модели, нагревательный элемент представляет собой камеру сгорания, оснащенную входным и выходным отверстиями для подачи и вывода соответственно, наружного и нагретого воздуха и, расположенным внутри нее змеевиком, причем, камера сгорания сообщается с зоной нагрева в межтрубном пространстве, с помощью трубы подачи нагретого воздуха, связанной с отверстием для вывода нагретого воздуха из камеры сгорания, при этом, данная труба выполнена с возможностью вращения вместе с кожухом двигателя, обеспечиваемого скользящим фланцем, установленным в месте сочленения трубы подачи нагретого воздуха и отверстия для его вывода из камеры сгорания, причем, камера сгорания и труба подачи нагретого воздуха расположены вне кожуха, со стороны, противоположной исполнительному механизму, а наружный воздух в камеру сгорания поступает под давлением.
Выполнение нагревательного элемента в виде камеры сгорания, оснащенной входным и выходным отверстиями для подачи и вывода соответственно, наружного и нагретого воздуха и, расположенным внутри нее змеевиком, причем, камера сгорания сообщается с зоной нагрева в межтрубном пространстве, с помощью трубы подачи нагретого воздуха, связанной с отверстием для вывода нагретого воздуха из камеры сгорания, при этом, данная труба выполнена с возможностью вращения вместе с кожухом двигателя, обеспечиваемого скользящим фланцем, установленным в месте сочленения трубы подачи нагретого воздуха и отверстия для его вывода из камеры сгорания, причем, камера сгорания и труба подачи нагретого воздуха расположены вне кожуха, со стороны, противоположной исполнительному механизму, а наружный воздух в камеру сгорания поступает под давлением именно за счет ее вынесения за пределы корпуса двигателя позволяет значительно улучшить ремонтопригодность заявляемой конструкции. Это обеспечивается за счет более легкого доступа практически ко всем конструктивным элементам нагревательного элемента.
Помимо этого, именно заявляемое выполнение нагревательного элемента позволяет значительно повысить безопасность двигателя с внешним подводом тепла. Это также обеспечивается за счет нахождения нагревательного элемента вне корпуса двигателя, что в случае выхода из строя какого-нибудь конструктивного элемента камеры сгорания, ни каким образом, не выведет из строя непосредственно конструктивные элементы, расположенные внутри корпуса.
Кроме того, именно вынесение нагревательного элемента за пределы корпуса двигателя позволяет использовать в камере сгорания различные виды топлива, такие, как бензин, керосин, солярка и даже уголь.
Заявляемая конструкция двигателя с внешним подводом тепла представлена на чертежах. На фиг.1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Двигатель с внешним подводом тепла содержит цилиндрический теплоизоляционный кожух 1, рабочие цилиндры 2 с объемно-расширяющимся рабочим телом 3. Кожух 1 выполнен в виде концентрично расположенных цилиндрических поверхностей. Торцы кожуха 1 заглушены с двух сторон фланцами 4 и 4'. Фланец 4 закрывает клапанная доска 5 с всасывающим 6 и нагнетательными 7 клапанами и каналами 8 для прохождения рабочего тела. Клапанная доска 5 закрыта корпусом 9, в котором выполнены технологические отверстия 10 для прохождения воздуха и крепления вращающего механизма 11. В центре кожуха 1 расположен вал 12, который с одной стороны присоединен к вращающему механизму 11, а с другой стороны закреплен в теплоизоляционном кожухе 1. Кожух 1 содержит отверстие 13 для подачи атмосферного воздуха, выполненное на внутренней цилиндрической поверхности кожуха 1 и отверстие 14 для выхода отработанного воздуха, выполненное на наружной цилиндрической поверхности кожуха 1. Отверстия 13 и 14 расположены друг относительно друга со смещением. В промежутке между отверстиями 13 и 14, образованном данным смещением, располагается эластичная перегородка 15, выполненная с возможностью обеспечения беспрепятственного прохода через нее рабочих цилиндров 2 при вращении. В качестве варианта выполнения эластичной перегородки 15, возможно выполнение ее в виде вертикально подвешенных полотнищ: или вертикально подвешенных полос, закрепленных в верхней части и широко известных из уровня техники. Внутри каждого из цилиндров 2 расположены поршни 16. Двигатель также содержит нагнетатель воздуха 17, исполнительный механизм 18, например ветряную установку, вал исполнительного механизма 19. Двигатель содержит нагревательный элемент представляющий собой камеру сгорания 20, оснащенную входным 21 и выходным 22 отверстиями для подачи и вывода соответственно, наружного и нагретого воздуха, расположенный внутри нее змеевик 23. Камера сгорания 20 сообщается с зоной нагрева в межтрубном пространстве, с помощью трубы 24 подачи нагретого воздуха, связанной с отверстием 22 для вывода нагретого воздуха из камеры сгорания 20, при этом, данная труба 24 выполнена с возможностью вращения вместе с кожухом 1 двигателя, обеспечиваемого скользящим фланцем 25, установленным в месте сочленения трубы 24 подачи нагретого воздуха и отверстия 22 для его вывода из камеры сгорания. Камера сгорания 20 и труба 22 подачи нагретого воздуха расположены вне кожуха 1, со стороны, противоположной исполнительному механизму 18. При этом наружный воздух в камеру сгорания 20 поступает под давлением. Рабочие цилиндры 2 могут быть выполнены оребренными.
Двигатель работает следующим образом. В камеру сгорания 20 под давлением подается наружный воздух. В камере сгорания 20 воздух, обтекая элемент, в данном конкретном случае, змеевик 23, нагревается до нужной температуры, выходит через отверстие 22 и направляется по трубе 24 в зону нагрева, расположенную в межтрубном пространстве. Камера сгорания 20 и конструкция элемента, от которого происходит передача тепла воздуху, поступающему в камеру 20 (в данном конкретном случае - змеевика 23), в зависимости от используемого топлива, могут быть выполнены различной формы и конфигурации, в частности, поверхность данного элемента (в частности, змеевика 23) может быть гладкой или оребренной.
Наружный воздух подается нагнетателем 17 во внутреннюю полость кожуха 1, далее через отверстие 13 в кожухе 1 поступает на обдув цилиндров 2. Обдувая оребренные цилиндры 2, воздух нагревается, при этом объемно-расширяющееся вещество внутри обдуваемого воздухом цилиндра 2 охлаждается. Объемно расширяющееся вещество уменьшается в объеме и увлекает за собой поршень 16. Поршень 16 в свою очередь через всасывающий клапан 6 засасывает рабочую жидкость (рабочее тело) 3. Воздух, проходя в межтрубном пространстве, нагревается и попадает в зону нагрева, куда по трубе 24 из камеры сгорания 20 через отверстия 26 подается нагретый воздух. В данной зоне нагрева воздух, поступивший во внутреннюю полость двигателя нагревается до нужной температуры и, проходя далее, нагревает расположенные по его ходу цилиндры 2 и объемно расширяющееся вещество в них. Поршень 16 этого цилиндра 2 за счет нагрева объемно расширяющегося вещества начинает вытеснять через нагнетательный клапан 7 рабочее тело 3. Рабочее тело 3, через нагнетательный клапан 7 и трубы 27, подается на исполнительный механизм (ветряную установку) 18, производя тем самым полезную работу. Нагретый в камере сгорания 20 воздух, проходя далее в межтрубном пространстве, нагревая расположенные по его ходу рабочие цилиндры 2, охлаждается сам. Далее через выходное отверстие 14 отработанный воздух выводится наружу.
Вращение кожуха двигателя заявляемой конструкции осуществляется любым известным механизмом (электродвигателем, гидродвигателем и т.п.). Скорость вращения кожуха 1 зависит от возможности охлаждения и нагрева цилиндров.