ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ И СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ
ENGINE WITH EXTERNAL HEAT SUPPLY AND METHOD OF OPERATION OF AN ENGINE WITH EXTERNAL HEAT SUPPLY

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к конструкции двигателей с внешним подводом теплоты, которое может быть использовано в качестве привода в различных машинах, стационарных и передвижных энергетических установках в автомобильной, тракторной, электроэнергетической и других отраслях промышленности, связанных с изготовлением и эксплуатацией различных транспортных средств и силовых установок.
Известно решение RU 2149275 С1 "Тепловой двигатель с внешним подводом теплоты", МПК F02G 1/043 содержащее, по меньшей мере один расширительный и один компрессионный цилиндры, в которых размещены поршни, связанные механизмом преобразования движения в виде косой шайбы с валом двигателя. Расширительная магистраль с нагревателем подключена к впускному органу расширительного цилиндра и к выпускному органу компрессионного цилиндра. Компрессионная магистраль с охладителем подключена к выпускному органу расширительного цилиндра и впускному органу компрессионного цилиндра. Впускной орган расширительного цилиндра и впускной орган компрессионного цилиндра выполнены в поршнях. Механизмы управления впускными и выпускными органами расширительного и компрессионного цилиндров выполнены в виде электромагнитов соответственно. К нагревателю подключен тепловой аккумулятор. Расширительный и компрессионный цилиндры расположены поочередно.
Недостатком этого технического решения является сложность конструкции, большие массо-габаритные характеристики двигателя. (RU 2149275 С1, http://new.fips.ru).
Известно решение SU 1245824 А1 "Поршневая машина, работающая преимущественно по циклам Стирлинга", МПК F25B 9/00 содержащее, поршень, вытеснитель, холодильник, регенератор и теплообменник. Поршень соединен с двумя коленчатыми валами с помощью шатунов поршня. К последним подсоединен один из концов шатунов вытеснителя, которые другими концами соединены между собой или непосредственно, или через траверсу. Шатуны вытеснителя имеют третью ось вращения, по которой соединены с шатунами-замедлителями. Другие концы шатунов-замедлителей подсоединены к вытеснителю, например, через перемещающуюся совместно с ним траверсу со штоком. Коленчатые валы синхронизированы между собой шестернями.
Недостатком этого технического решения является сложность конструкции, большие массо-габаритные характеристики двигателя. (SU 1245824 А1, http://new.fips.ru).
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому объекту является решение RU 2343300 С2 "Двигатель с внешним подводом теплоты", МПК F02G 1/04, содержащее, цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм. Распределительный механизм размещен в головке цилиндра и выполнен в виде золотникового вытеснителя. Золотниковый вытеснитель включает корпус с противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость. Вытеснительная полость связана с рабочей камерой кольцевым каналом. Градусная мера центрального угла окружности основания цилиндрического золотника, внутри которого расположена выемка, формирующая вытеснительную полость, меньше 180°. Глубина - определяющий радиальный размер вытеснительной полости меньше ее длины - определяющего продольного размера. Объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры.
Недостатком этого технического решения являются большие массо-габаритные характеристики двигателя. (RU 2343300 С2, http://new.fips.ru).
Сущность изобретения
Задача, на которую направлено заявленное решение, создать двигатель с внешним подводом теплоты простой конструкции, небольшими массо-габаритными характеристиками, использовать отработавший заряд двигателя с внешним подводом теплоты для нагрева свежего заряда рабочего тела в камере нагрева, увеличить степень наполнения свежим зарядом рабочего цилиндра, уменьшить интенсивность вихреобразования рабочего тела во впускном и выпускном каналах.
Двигатель с внешним подводом теплоты фиг. 1 имеет рабочий цилиндр (1), поршень (1.2), шатун (1.3), выпускной клапан (1.5), впускной клапан (1.6), камеру нагрева (1.1), коленчатый вал (1.7), впускной канал (1.8), выпускной канал (1.9).
Рабочий цилиндр (1) фиг. 1 представляет собой рабочую камеру объемного вытеснения. В нижней части двигателя с внешним подводом теплоты располагается коленчатый вал (1.7), приводимый во вращение шатуном (1.3), который соединен с поршнем (1.2), расположенным в рабочем цилиндре (1). Рубашка охлаждения (1.4) выполнена на внешней боковой поверхности рабочего цилиндра (1).
На верхней периферии с одной стороны рабочего цилиндра (1) фиг. 1 расположены подъемный впускной клапан (1.6), впускной канал (1.8), а с противоположной стороны от подъемного впускного клапана (1.6), впускного канала (1.8) расположены подъемный выпускной клапан (1.5), выпускной канал (1.9). Выпускной (1.9), впускной (1.8) каналы представляют собой пустотелое тело на основе профиля постоянного сечения и имеют плавный поворот на 90 градусов, причем отношение радиуса поворота канала к диаметру канала подобрано таким образом, что в данном исполнении коэффициент сопротивления формы канала в месте поворота минимален.
Такое исполнение обеспечивает наиболее плавную форму и большие проходные сечения впускного и выпускного каналов, что снижает сопротивление формы канала в месте поворота вследствие уменьшается интенсивность вихреобразования рабочего тела, увеличивает степень наполнения свежим зарядом рабочего цилиндра по причине малой интенсивности вихреобразования рабочего тела во впускном канале из-за плавной формы и большого проходного сечения впускного канала, что увеличивает скорость поступления рабочего тела в цилиндр, упрощает конструкцию привода подъемных впускного и выпускного клапанов.
Рабочий цилиндр (1) фиг. 1 сопряжен с камерой нагрева (1.1) через канал (1.1.1), который расположен на верхней периферии цилиндра (1) между выпускным (1.9) и впускным (1.8) каналами. Камера нагрева (1.1) фиг. 1 выполнена с внутренним конструкционным пространством, в котором происходит нагрев рабочего тела, и размещена выше впускного (1.8) и выпускного (1.9) каналов.
Такое исполнение камеры нагрева дает возможность подводить тепло по всей площади внешней поверхности камеры нагрева вследствие отсутствия перекрывающих внешнюю поверхность камеры нагрева деталей двигателя.
В верхней части поршень (1.2) фиг. 1 имеет уплотнительные кольца (1.2.1), установленные в канавках на внешней поверхности поршня (1.2).
Способ работы двигателя с внешним подводом теплоты включает следующую последовательность действий.
Фаза А фиг. 1. При движении поршня (1.2) в рабочем цилиндре (1) от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке открывается впускной клапан (1.6) и через впускной канал (1.8) в цилиндр (1) поступает свежий заряд рабочего тела из атмосферы. Выпускной клапан (1.5) закрыт.
Фаза В фиг. 2. При движении поршня (1.2) в рабочем цилиндре (1) от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке происходит сжатие рабочего тела. Впускной клапан (1.6) и выпускной клапан (1.5) закрыты. Давление рабочего тела возрастает.
Фаза С фиг. 3. В процессе нагревания теплота через стенку камеры нагрева (1.1) передается рабочему телу. При подводе теплоты к рабочему телу давление и температура в камере нагрева (1.1) возрастают. Происходит расширение рабочего тела. Объем, занимаемый рабочим телом, в процессе расширения увеличивается, а давление в цилиндре (1) уменьшается, при этом совершается полезная работа. Рабочее тело воздействует на поршень (1.2). Поршень (1.2) в рабочем цилиндре (1) движется от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Впускной клапан (1.6) и выпускной клапан (1.5) закрыты.
Фаза D фиг. 4. При движении поршня (1.2) в рабочем цилиндре (1) от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке открывается выпускной клапан (1.5). Через выпускной канал (1.9) осуществляется выпуск из цилиндра (1) отработавшего рабочего тела высокой температуры. Часть отработавшего рабочего тела высокой температуры выбрасывается из цилиндра в атмосферу, а другая часть используется для нагрева свежего заряда рабочего тела в камере нагрева (1.1). Впускной клапан (1.6) закрыт.
Таким образом, рабочий цикл двигателя с внешним подводом теплоты осуществляется за два оборота коленчатого вала и состоит из двух групп процессов. Первая группа включает процессы впуска и сжатия. Вторая группа включает процессы расширения и выпуска.
При таком способе работы двигатель с внешним подводом теплоты имеет незамкнутый цикл циркуляции рабочего тела. Осуществляется внешний подвод свежего заряда рабочего тела низкой температуры из атмосферы в такте впуска и выпуск отработавшего рабочего тела высокой температуры из рабочего цилиндра в такте выпуска.
Технический результат заключается в создании двигателя с внешним подводом теплоты простой конструкции за счет применения малого количества конструктивных элементов с небольшими массо-габаритными характеристиками, использовании отработавшего заряда двигателя с внешним подводом теплоты для нагрева свежего заряда рабочего тела в камере нагрева вследствие выпуска отработавшего рабочего тела высокой температуры из цилиндра двигателя, увеличении степени наполнения свежим зарядом рабочего цилиндра по причине малой интенсивности вихреобразования рабочего тела во впускном канале из-за плавной формы и большого проходного сечения впускного канала, что увеличивает скорость поступления рабочего тела в цилиндр, уменьшении интенсивности вихреобразования рабочего тела во впускном и выпускном каналах благодаря плавной форме и большому проходному сечению впускного и выпускного каналов, что снижает сопротивление формы канала в месте поворота.
Краткое описание чертежей:
на фиг. 1 - схематичное изображение двигателя с внешним подводом теплоты в фазе А. Поперечный разрез;
на фиг. 2 - схематичное изображение двигателя с внешним подводом теплоты в фазе В. Поперечный разрез;
на фиг. 3 - схематичное изображение двигателя с внешним подводом теплоты в фазе С. Поперечный разрез;
на фиг. 4 - схематичное изображение двигателя с внешним подводом теплоты в фазе D. Поперечный разрез;
Краткое описание конструктивных элементов:
1 - рабочий цилиндр;
1.1 - камера нагрева;
1.1.1 - канал;
1.2 - поршень;
1.2.1 - уплотнительное кольцо;
1.3 - шатун;
1.4 - рубашка охлаждения;
1.5 - выпускной клапан;
1.6 - впускной клапан;
1.7 - коленчатый вал;
1.8 - впускной канал;
1.9 - выпускной канал;
Осуществление заявленного решения:
Заявленное решение работает следующим образом.
Фаза А фиг. 1. При движении поршня (1.2) в рабочем цилиндре (1) от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке открывается впускной клапан (1.6) и через впускной канал (1.8) в цилиндр (1) поступает свежий заряд рабочего тела из атмосферы. Выпускной клапан (1.5) закрыт.
Фаза В фиг. 2. При движении поршня (1.2) в рабочем цилиндре (1) от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке происходит сжатие рабочего тела. Впускной клапан (1.6) и выпускной клапан (1.5) закрыты. Давление рабочего тела возрастает.
Фаза С фиг. 3. В процессе нагревания теплота через стенку камеры нагрева (1.1) передается рабочему телу. При подводе теплоты к рабочему телу давление и температура в камере нагрева (1.1) возрастают. Происходит расширение рабочего тела. Объем, занимаемый рабочим телом, в процессе расширения увеличивается, а давление в цилиндре (1) уменьшается, при этом совершается полезная работа. Рабочее тело воздействует на поршень (1.2). Поршень (1.2) в рабочем цилиндре (1) движется от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Впускной клапан (1.6) и выпускной клапан (1.5) закрыты.
фаза D фиг. 4. При движении поршня (1.2) в рабочем цилиндре (1) от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке открывается выпускной клапан (1.5). Через выпускной канал (1.9) осуществляется выпуск из цилиндра (1) отработавшего рабочего тела высокой температуры. Часть отработавшего рабочего тела высокой температуры выбрасывается из цилиндра в атмосферу, а другая часть используется для нагрева свежего заряда рабочего тела в камере нагрева (1.1). Впускной клапан (1.6) закрыт.