ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА С РЕГУЛИРУЕМОЙ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТЬЮ

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к тепловым двигателям внешнего сгорания, работающим по циклу Стирлинга на твердом, жидком, газообразном топливе или другом источнике тепла.
Известен двигатель внешнего сгорания [Патент РФ №122706, МПК F02G 1/055, 2012 год], содержащий размещенные в цилиндре двигателя с зазором относительно друг друга вытеснительный и рабочий поршни, штоки которых взаимодействуют с маховиком кривошипно-шатунного механизма, при этом на торце цилиндра двигателя размещен индукционный нагреватель, а на внешней поверхности его противоположного конца установлен кольцевой холодильный блок.
Недостатком такого двигателя является невозможность регулирования выходной мощности двигателя, а также неэффективность системы, обусловленная отсутствием регенератора.
Известен двигатель Стирлинга [Патент РФ №92479, МПК F02G 1/055, 2009 год], содержащий, по крайней мере, один цилиндр, в котором установлены вытеснительный и рабочий поршни, разделяющие его объем на горячую и холодную полости и соединяющие их последовательно установленные в цилиндре нагреватель, регенератор и охладитель, при этом шток рабочего поршня соединен с исполнительным механизмом. Кроме того дополнительно введены датчики положений вытеснительного и рабочего поршней, соединенные соответственно со своими поршнями, пульт управления мощностью двигателя, пульт управления режимом работы двигателя, механизм привода вытеснительного поршня и его блок управления, первый и второй выходы которого соединены с датчиками положений вытеснительного и рабочего поршней соответственно, третий выход соединен с механизмом привода вытеснительного поршня и со штоком вытеснительного поршня, четвертый выход - с пультом управления мощностью двигателя, а пятый - с пультом управления режимом работы двигателя.
Недостатком данной конструкции является механический принцип регулирования выходной мощностью двигателя посредством изменения скорости движения вытеснительного поршня пультом управления мощностью двигателя. Это обуславливает неоптимальность термодинамического цикла Стирлинга и значительно снижает КПД процесса в целом.
Наиболее близким техническим решением является двигатель Стирлинга с системой регулирования мощности перепуском рабочего тела фирмы «Филипс» [Г. Уокер «Двигатели Стирлинга», М. Машиностроение, 1985, стр. 192], который содержит, по крайней мере, один цилиндр, содержащий фоновый рабочий газ, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре, разделяющие его объем на горячую и холодную полости; охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно вне цилиндра, при этом рабочий поршень кинематически связан с исполнительным механизмом через шток рабочего поршня, а также систему регулирования мощности, содержащую компрессор, баллон с рабочим газом, управляющее устройство, буферную полость, подключаемые к цилиндру двигателя по трубопроводу через обратные клапаны, питательный клапан, перепускной клапан и клапан сброса.
Недостатком прототипа является регулирование мощности посредством изменения давления рабочего тела в цилиндре двигателя, что приводит к снижению эффективности работы двигателя.
В основу полезной модели положена задача разработки двигателя внешнего сгорания, работающего по циклу Стирлинга, имеющего возможность регулирования выходной мощности при сохранении термодинамической эффективности двигателя за счет изменения состава рабочего газа в цилиндре двигателя.
Поставленная задача достигается тем, что двигатель Стирлинга, который содержит, по крайней мере, один цилиндр, содержащий рабочий газ, вытеснительный и рабочий поршни, разделяющие объем цилиндра на горячую и холодную полости; охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно вне цилиндра, при этом рабочий поршень кинематически связан с исполнительным механизмом через шток рабочего поршня, а также систему регулирования мощности, содержащую управляющее устройство, баллон с фоновым рабочим газом; дополнительно содержит второй баллон с рабочим газом, отличным от фонового газа, блок подготовки смеси рабочего газа, подключаемый к управляющему устройству. Блок включает в состав: смесительную камеру, компрессор, датчики давления и температуры, электромагнитный клапан сброса газа и подключен по трубопроводу через электромагнитный питательный клапан, обратный клапан, к цилиндру двигателя, дополнительно оснащенному клапаном сброса избытка газа; а также к обоим баллонам рабочих газов по трубопроводам через электромагнитные обратные клапаны.
Предлагаемое решение поясняется структурной схемой, приведенной на фиг. 1.
Двигатель Стирлинга содержит цилиндр 1 в котором установлены вытеснительный 2 и рабочий 3 поршни, разделяющие объем цилиндра 1 на горячую и холодную полости, при этом рабочий поршень 3 кинематически связан с исполнительным механизмом 4 через шток рабочего поршня 5. На внешней поверхности цилиндра 1 размещены нагреватель 6 и охладитель 7, между которыми установлен регенератор 8, при этом цилиндр 1 заполнен рабочим газом 9, подаваемым по трубопроводу через обратный клапан 10 и электромагнитный питательный клапан 11 от блока подготовки смеси рабочего газа 12, включающего смесительную камеру, компрессор, датчики давления и температуры. Блок имеет соединение с баллонами фонового и дополнительного однокомпонентных рабочих газов 13 через электромагнитные обратные клапаны 14, регулируемые управляющим устройством 15. Кроме того, цилиндр двигателя 1 и блок подготовки смеси газа содержат электромагнитные обратные клапаны сброса избытка газа 16 и 17 соответственно.
Основным принципом цикла Стирлинга является периодический нагрев и охлаждение рабочего тела, находящегося в цилиндре двигателя, с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объема рабочего тела. Расширение постоянного количества рабочего тела происходит при высокой температуре в зоне нагревателя в горячей полости цилиндра, а последующее его сжатие при низкой температуре в зоне охладителя в холодной полости цилиндра. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию. Регенератор увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в теплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается, что значительно повышает эффективность системы.
Скорость процессов расширения-сжатия рабочего тела и соответственно частота работы поршня зависят от множества факторов, в том числе от температур нагревателя и охладителя, их конструкции, свойств рабочего тела: коэффициента теплопроводности, коэффициента массообмена и гидравлического сопротивления. Для обеспечения высокой удельной мощности и высокого эффективного КПД двигателя, работающего при высоком давлении и высокой частоте, необходимо обеспечить высокие коэффициенты теплообмена и массообмена рабочего тела при относительно невысоком уровне гидравлических потерь.
В предлагаемой разработке используется устройство, изменяющее состав рабочего тела в процессе работы двигателя. В качестве рабочего тела используется двухкомпонентный газ, представляющий собой смесь двух газов, имеющих различные термодинамические свойства, например, гелий и азот. Поскольку, коэффициент теплопроводности гелия значительно выше азота, его применение в качестве рабочего тела будет обуславливать более высокую частоту движения поршня, чем при использовании азота. Таким образом, варьируя их процентное массовое содержание, в процессе работы становится возможным регулировать выходные механические характеристики двигателя при максимальной термодинамической эффективности двигателя.
Устройство работает следующим образом.
При стартовом запуске двигателя цилиндр 1 заполнен фоновым однокомпонентным газом, имеющим требуемое рабочее давление. При этом двигатель работает по циклу Стирлинга, обеспечивая выработку соответствующей номинальной выходной мощности на исполнительном механизме 4.
При необходимости изменения выходной мощности двигателя, на управляющее устройство 15 поступает внешняя команда управления в виде цифрового кодированного сигнала об установке необходимой выходной мощности двигателя. Контроллер управляющего устройства 15 по внутреннему алгоритму рассчитывает требуемое соотношение концентраций газов, с учетом последующего смешения с фоновым газом, находящемся в цилиндре двигателя, и передает задание на блок подготовки газовой смеси 12. В смесительную камеру блока подготовки газовой смеси 12 через электромагнитные обратные клапаны 14 поступает дозированное количество однокомпонентных газов из баллонов 13, необходимых для обеспечения заданного режима работы. Параметры газа внутри смесительной камеры контролируются датчиками давления и температуры. Обратный клапан 17 в составе блока подготовки газовой смеси 12 обеспечивает аварийный сброс давления в случае превышения максимального безопасного рабочего уровня.
После подготовки газа в блоке 12, через электромагнитный питательный клапан 11 и обратный клапан 10 в цилиндр 1 подается подготовленная смесь газов, при этом избыток фонового газа сбрасывается через электромагнитный клапан сброса 16. За счет высоких диффузионных свойств газов переходной период изменения состава рабочего тела в цилиндре минимален.
В связи с изменением термодинамических свойств рабочего тела, происходит естественное изменение скорости процессов сжатия и расширения рабочего тела в цикле Стирлинга при прочих равных внешних условиях (температуры нагревателя 6, охладителя 7 и их конструкции), изменяя тем самым частоту движения рабочего поршня, что приводит к изменению выходной мощности двигателя. При этом сохраняется максимальная термодинамическая эффективность системы.
Таким образом, предлагаемая конструкция двигателя внешнего сгорания, работающего по циклу Стирлинга позволяет полностью реализовать поставленные задачи, а именно регулировать выходную мощность в процессе работы при сохранении максимальной эффективности двигателя.