ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО НАГРЕВА
STIRLING ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внешнего сгорания. Может найти применение на кораблях, подводных лодках, в том числе на атомных подводных лодках - АПЛ и других объектах, предпочтительно находящихся на акватории или недалеко от водных ресурсов.
Известен роторный двигатель внешнего сгорания, патент РФ №2208176. В этом двигателе все процессы происходят в одной секции, разделенной пластинами на части. В результате холодный газ в части «в» нагревается от соседних частей, через общие разделяющие пластины и корпус двигателя, что снижает КПД двигателя. Известен патент РФ №2258824. В этом двигателе также горячая и холодная камеры расположены в одном корпусе. Их разделяет статор. Поэтому горячий газ будет охлаждаться, а холодный нагреваться через общие стенки корпуса и ротор, что также снизит КПД двигателя.
Известно описание роторного двигателя внешнего сгорания в журнале «Наука и жизнь» №3 за 2007 г.
Основная идея данного решения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно - сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра - с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.
Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но ′′с обратным знаком′′ происходит в ветви низкого давления. Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.
В этом двигателе отсутствует клапан в ветви высокого давления, что не позволяет повысить давление холодного газа перед его подачей в регенератор и нагреватель. Также отсутствие клапана позволяет части горячего газа поступать обратно в секцию короткого ротора. Все это снижает КПД двигателя.
Известен роторный двигатель по патенту РФ на изобретение №2451811, МПК F02G 1/043, опубл. 27.05.2012 г.
Этот роторный двигатель внешнего сгорания состоит из ротора, лопаток, не менее двух корпусов, впускного отверстия, впускного окна камеры сгорания, впускного клапана, камеры сгорания, свечи зажигания, выпускного клапана, выпускного окна, выпускного отверстия, уплотняющих элементов, отличающийся тем, что состоит из двух секций: горячей и холодной, роторы которых жестко закреплены на одном валу, причем ротор горячей секции длиннее, чем ротор холодной секции, а рабочая площадь лопатки и объем полости больше у горячей секции; полости горячей и холодной секций соединены между собой посредством двух труб, одна из которых проходит через полость охлаждения, другая через полость нагревания, и обе пересекают полость регенерации, на пути от которой к холодной секции установлен клапан.
Недостаткам является низкая надежность двигателя и его малый ресурс до капитального ремонта из-за сложности конструкции.
Известен двигатель внешнего нагрева из сайта Интернет http://www.medem.kiev.ua, содержащий цилиндр, внутри которого установлены рабочий и вытеснительный поршни, кинематичечески связанные с валом, и системы нагрева и охлаждения (прототип).
Недостатки этого двигателя его низкая надежность из-за отсутствия контроля за его работой и низкий КПД по той же причине и неэффективности систем воздушного охлаждения и внешнего нагрева через стенку цилиндра.
Задачами создания предлагаемого изобретения является увеличение надежности двигателя и улучшение его экономичности.
Решение указанных задач достигнуто в двигателе внешнего нагрева, содержащем систему нагрева и охлаждения, цилиндр с торцовой и боковой стенками, во внутренней полости которого размещены рабочий и вытеснительный поршни, кинематически связанные с валом тем, что согласно изобретению боковая стенка цилиндра выполнена пустотелой, содержащей между внутренней и внешней стенками полости нагрева и охлаждения, соединенные соответственно с входными и выходными трубопроводами систем нагрева и охлаждения. Система нагрева может содержать трубопроводы низкого и высокого давления, насос и теплообменник нагрева, около которого установлен нагреватель. Система охлаждения может содержать трубопроводы низкого и высокого давления, насос и теплообменник охлаждения, к которому присоединены подводящий и отводящий трубопроводы. Двигатель внешнего нагрева может содержать блок управления. Двигатель внешнего нагрева может содержать датчики температуры, установленные соответственно перед и после теплообменника нагрева и теплообменника охлаждения, соединенные электрическими связями с блоком управления.
К валу может быть присоединен электрогенератор, выход которого соединен электрическими проводами с коммутатором, к которому присоединен электродвигатель привода и аккумулятор.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2, где:
- на фиг.1 приведена схема двигателя, поперечный разрез,
- на фиг.2 приведена электрическая схема двигателя.
Двигатель (фиг.1 и 2) содержит: цилиндр 1, внутри которого расположены рабочий поршень 2 и вытеснительный поршень 3. Двигатель имеет вал 4. В свою очередь цилиндр 1 выполнен их двух частей: нагревательной части 5 и охлаждающей части 6. Для этого цилиндр 1 выполнен пустотелым и содержит торцовую стенку 7 и боковую стенку 8. Боковая стенка 8 выполнена пустотелой и содержит внутреннюю стенку 9 и внешнюю стенку 10 с полостью нагрева 11 и полостью охлаждения 12 между ними. На торцовой стенке 7 цилиндра 1 также может быть выполнена дополнительная полость нагрева 11.
Рабочий поршень 2 установлен на штоке 13, а вытеснительный поршень 3 - на штоке 14, выполненном в виде втулки коаксиально штоку 13. К штоку 13 шарниром 15 присоединен шатун 16, другой конец которого через шарнир 17 соединен с рычагом 18, жестко закрепленном на валу 4.
Вытеснительный поршень 3 установлен на штоке 14. К штоку 14 шарниром 19 присоединен шатун 20, другой конец которого через шарнир 21 соединен с рычагом 22, жестко закрепленном на валу 4.
На валу 4 также может быть закреплен маховик 23.
Цилиндр 1 имеет открытый торец 24, имеющий отверстия 27 для сообщения полости 26 с атмосферой. На нагревательной части 5 цилиндра 1 может быть выполнена тепловая изоляция 30. Кроме того, между открытым торцом 24 и рабочим поршнем 2 выполнена «горячая» полость 28, а между рабочим поршнем 2 и вытеснительным поршнем 3 - «холодная» полость 29.
Кроме того, двигатель имеет системы нагрева и охлаждения.
Система нагрева содержит (фиг.1), по меньшей мере, одну полость нагрева 11 на корпусе цилиндра 1, к которой с одной стороны присоединен трубопровод отбора 30 с насосом 31, имеющим привод 32, теплообменник нагрева 33, к выходу которого присоединен трубопровод подачи 34, который соединен с полостью нагрева 11 на другой стороне цилиндра 1. Около теплообменника нагрева 33 установлен нагреватель 35, имеющий регулятор мощности 36.
Система охлаждения содержит, по меньшей мере, одну полость охлаждения 12 внутри цилиндра 1, к которой присоединен трубопровод отбора 37, содержащий насос 38, имеющий привод 39, к выходу которого присоединен теплообменник охлаждения 40, к выходу которого присоединен трубопровод подачи 41, выход которого присоединен к полости охлаждения 12 на другой стороне цилиндра 1.
К теплообменнику охлаждения 40 присоединены заборный трубопровод 42 и трубопровод сброса 43.
Насосы 31 и 38 выполнены с переменной, регулируемой производительностью, что достигнуто соединением их с приводами 32 и 39, это позволяет настраивать наиболее оптимальный по экономичности режим работы двигателя.
Двигатель оборудован системой управления с блоком управления 44, соединенным электрическими связями 45 с приводами 32 и 39 насосов 31 и 38.
Кроме того, система управления может быть оборудована четырьмя датчиками температуры:
- температуры нагревающей среды до теплообменника 46
- температуры нагревающей среды после теплообменника 47,
- температуры охлаждающей среды до теплообменника 48
- температуры охлаждающей среды после теплообменника 49.
При этом все датчики температуры 46…49 соединены электрическими связями 45 с блоком управления 44.
В качестве нагревателя 35 могут быть использованы топливные форсунки, ядерный реактор, химические элементы и т.д.
При использовании изобретения на кораблях или атомных подводных лодках в качестве внешней охлаждающей среды для теплообменника охлаждения 40 (фиг.1) может использоваться забортная вода, которая подается по заборному трубопроводу 42 и сбрасывается по трубопроводу 43. Это повысит КПД двигателя и позволит использовать бесплатный неограниченный по объему хладоресурс, например, морской воды.
Электрическая схема двигателя приведена на фиг.2. Вал 4 через редуктор 50 и вал 51 присоединен к электрогенератору 52. Электрогенератор 52 электрическими проводами 53 соединен с коммутатором 54. К коммутатору 54 присоединен электродвигатель привода 55 и аккумулятор 56. К аккумулятору 56 электрическими проводами 53 присоединен блок управления 44.
Работа двигателя осуществляется следующим образом.
Одновременно включают системы нагрева и охлаждения (фиг.1…2).
Работа системы нагрева осуществляется следующим образом.
Циркулирующая нагревающая среда отбирается из полостей нагрева 11 по трубопроводу отбора 30, насосом 31 подается в теплообменник охлаждения 33, где охлаждается и далее по трубопроводу 34 возвращается в полости нагрева 11.
Работа системы охлаждения осуществляется следующим образом.
Циркулирующая охлаждающая среда отбирается из полостей охлаждения 12 по трубопроводу 37, насосом 38 подается в теплообменник охлаждения 40, где охлаждается и далее по трубопроводу 41 возвращается в полости охлаждения 12.
За счет применения электронного блока управления 44 с использованием микропроцессора (на фиг.1 и 2 микропроцессоры не показаны) и датчиков температуры 46…49 можно автоматически выбрать оптимальные (по экономичности) варианты режима работы двигателя за счет воздействия через приводы 32 и 39 на насосы 31 и 38 при постоянном режиме работы нагревателя 35.
Регулирование режима работы осуществляют регулятором мощности 36 воздействием на нагреватель 35 (фиг.2).
Применение изобретения позволило:
1. Повысить надежность двигателя и увеличить его ресурс до капитального ремонта за счет контроля температуры подаваемой нагревающей среды и недопустимости перегрева цилиндров и поршней.
2. Технико-экономическая эффективность заключается в существенной экономии топлива на частичных нагрузках при практически таком же его удельном расходе на максимальной мощности, как в аналогичном двигателе с обычным искровым зажиганием.
Это достигнуто:
- применением системы охлаждения,
- применением насосов с регулируемой производительностью,
- применением электронной системы управления с блоком управления и воздействием с блока на приводы насосов для повышения КПД до максимума,
- применением датчиков температуры охлаждающей и нагревающей среды, как до, так и после теплообменника, которые контролируют наиболее важные характеристики двигателя, фактически в реальном режиме времени определяющие КПД цикла Стирлинга и КПД двигателя в целом и позволяют вносить коррекцию в режим работы в сторону увеличения КПД воздействием на приводы насосов.