ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С РАЗДЕЛЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ

Предложение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может быть использовано для повышения эффективности преобразования термохимической энергии сжигаемого топлива в механическую работу.
Известны теплоэнергетические установки с разделенными процессами сжатия и расширения.
Известна теплоэнергетическая установка с разделенными процессами сжатия и расширения (Сухов А. Выхлоп чище воздуха // За рулем. - 2001. №4.), которая содержит два цилиндра разного диаметра с клапанами. Эти цилиндры расположены V-образно и соединены каналами со сферической камерой, находящейся между ними и имеющей впускной и выпускной клапаны. Когда поршень в малом цилиндре движется вниз, в надпоршневое пространство засасывая наружный воздух. Затем, при движении вверх, поршень сжимает воздух (впускной клапан цилиндра закрыт, впускной клапан сферической камеры открыт, выпускной - закрыт). В конце такта сжатия давление поднимается до 20 бар. Впускной клапан сферической камеры закрывается, а в камеру подается топливо. Затем, выпускной клапан сферической
камеры открывается, и продукты сгорания направляются в большой цилиндр, где происходит расширение. После расширения открывается выпускной клапан большого цилиндра, и отработавшие газы выходят в атмосферу.
Недостатками описанной конструкции являются:
1. Невозможность полного расширения (до атмосферного давления) продуктов сгорания в большом цилиндре, так как поршни и большого и малого цилиндра с помощью шатунов соединены с общим кривошипом.
2. Расходование части энергии, произведенной при расширении в большом цилиндре, на сжатие воздуха в малом цилиндре.
Известен также двухтактный двигатель внутреннего сгорания с разделенными процессами сжатия и расширения (Перельштейн Б.Х Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания: Патент RU 2136920, 6 F 02 В 41/04. Опубл. 10.09.99. Бюл. №25), содержащий два цилиндра, оборудованные клапанами, с поршнями, которые приводятся в действие от общего коленчатого вала, и ресивер. Тыльная сторона поршня при его движении вниз в одном из цилиндров обеспечивает сжатие воздуха и нагнетание его в ресивер. Из ресивера сжатый воздух поступает в два цилиндра, где осуществляется сгорание подаваемого туда топлива и расширение продуктов сгорания практически до атмосферного
давления за счет в два раза большего объема расширения по сравнению с объемом сжатия.
Недостатками этого двигателя является расходование части энергии, произведенной при расширении, на сжатие воздуха.
Данная конструкции двигателя является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за прототип.
Задачей предложения является повышение эффективности преобразования термохимической энергии сжигаемого топлива в механическую работу.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемой теплоэнергетической установке с разделенными процессами сжатия и расширения процесс сжатия воздуха осуществляется в компрессоре с приводом от двигателя Стирлинга (Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. - М.: Мир, 1986. - 464 с.), который работает за счет теплоты отработавших газов, выбрасываемых из поршневой расширительной машины, где осуществляется расширение сжатого в компрессоре воздуха, сопровождающееся сгоранием топлива.
Анализ предлагаемого решения и известных позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности полезной модели.
Предложение поясняется рисунком (фиг.1), где изображено принципиальное устройство теплоэнергетической установки с разделенными
процессами сжатия и расширения.
Предлагаемая теплоэнергетическая установка с разделенными процессами сжатия и расширения содержит: рабочий цилиндр 1 с электрической обмоткой 2 на наружной поверхности и поршнем-якорем 3 внутри, впускными 4, 5 и выхлопными 6, 7 клапанами, выпускными патрубками 8, 9, впускными воздухопроводами 10, 11, форсунками 12, 13 с электрическим приводом; топливный бак 14 с топливопроводами 15, 16; двигатель Стирлинга 17 с полостью для прохода отработавших газов 18 и выпускными клапанами 19, 20; компрессор 21, соединенный трубопроводом 22 с ресивером 23.
Предлагаемая теплоэнергетическая установка с разделенными процессами сжатия и расширения работает следующим образом.
При движении поршня-якоря 3 вправо и приближении его к крайнему правому положению, отработавшие газы из правой полости, образуемой правым днищем поршня-якоря 3, стенками рабочего цилиндра 1 и его правой крышкой, через открытый выхлопной клапан 7 по выпускному патрубку 9 поступают в полость 18, окружающую нагреватель двигателя Стирлинга 17 и нагревают его. Пройдя через полость 18, отработавшие газы выходят в атмосферу через открытый выпускной клапан 19. Мощность, вырабатываемая двигателем Стирлинга, используется для сжатия воздуха в компрессоре 21. Сжатый и нагретый вследствие этого
воздух по трубопроводу 22 подается в ресивер 23, откуда по воздухопроводу 11 через впускной клапан 5 поступает в правую полость, образуемую правым днищем поршня-якоря 3, стенками рабочего цилиндра 1 и его правой крышкой. В то же время в эту полость через форсунку 13 впрыскивается топливо, поступающее по топливопроводу 16 из топливного бака 14. Поступившее в цилиндр топливо попадает в сжатый и горячий воздух, воспламеняется и происходит расширение продуктов сгорания и поршнь-якорь 3 перемещается влево. В это время из левой полости рабочего цилиндра, образуемой левым днищем поршня-якоря 3, стенками цилиндра 1 и его левой крышкой, через открытый выхлопной клапан 6 по выпускному патрубку 8 отработавшие газы, образовавшиеся в предыдущем цикле, начинают поступать в полость 18, окружающую нагреватель двигателя Стирлинга 17. В этот момент выпускной клапан 19 закрывается, а выпускной клапан 20 открывается и отработавшие газы, проходя через полость 18 и обеспечивая работу двигателя Стирлинга 17, выходят через выпускной клапан 20 в атмосферу. Двигатель Стирлинга 17 продолжает приводить в действие компрессор 23. В момент приближения поршня-якоря 3 к левой крышке рабочего цилиндра 1 открывается впускной клапан 4, через который по воздухопроводу 10 сжатый горячий воздух поступает в левую полость, образуемую левым поршня-якоря 3, стенками рабочего цилиндра 1 и его левой крышкой. В
то же время в эту полость через форсунку 12 впрыскивается топливо, поступающее по топливопроводу 15 из топливного бака 14. Поступившее в цилиндр топливо попадает в сжатый и горячий воздух, воспламеняется, происходит расширение продуктов сгорания и поршнь-якорь 3 перемещается вправо, после чего описанный рабочий цикл повторяется. Возвратно-поступательное движение поршня-якоря 3 внутри рабочего цилиндра 1 происходит одновременно и внутри электрической обмоткой 2, расположенной на его наружной поверхности. В результате этого в электрической обмотке 2 наводится электродвижущая сила (электрический ток), который направляется к потребителю энергии.
По сравнению с прототипом предлагаемая теплоэнергетическая установка не имеет механической связи между компрессором и рабочим цилиндром, что позволяет осуществлять в нем полное расширение рабочего тела (до давления окружающей среды), а организация привода компрессора за счет теплоты отработавших газов исключает затраты части вырабатываемой энергии, на получение сжатого воздуха.