ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к энергетическому машиностроению, а конкретнее - к альтернативным схемам тепловых двигателей с внешним подводом тепла (двигателям Стирлинга), которые могут быть использованы в качестве привода в промышленности и на транспорте.
Известен роторный тепловой двигатель, содержащий корпус с нагнетательными и расширительными агрегатами, каждый из которых имеет кольцевую камеру с плоскими торцевыми стенками, внутри которой с эксцентриситетом установлен кольцевой поршень и подвижные поперечные перегородки, разделяющие полости высокого и низкого давления рабочего тракта агрегата, камеру сгорания, поочередно подключаемую к нагнетательному и расширительному агрегатам, трансмиссию для отбора мощности на выходной вал двигателя, воздухозаборный и выхлопные каналы (а.с. СССР 1665052 F02B 53/02; 23.07.1991). Данное техническое решение является двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с камерой сгорания, отдельной от нагнетательного и расширительного агрегатов. Недостатком двигателя является избирательность топлива, отложение продуктов горения на внутренних поверхностях конструкции, повышенный уровень шума и все другие недостатки, которые присущи двигателям внутреннего сгорания и отсутствуют у двигателей Стирлинга.
Известен тепловой двигатель (патент России 2204032 C1 F02B 53/08; F02G 3/02) который содержит корпус с нагнетательными и расширительными агрегатами, каждый из которых оснащен кольцевым ротором - поршнем, и внешней камерой сгорания, поочередно подключаемой к указанным агрегатам. Особенностью двигателя является то, что нагнетательные и расширительные агрегаты расположены коаксиально в общей кольцевой камере и отделены друг от друга общим плавающим кольцевым ротором-поршнем. Двигатель оснащен механизмом для сообщения плавающему кольцевому ротору-поршню плоскопараллельного кругового движения, размещенный на одной из торцевых стенок кольцевой камеры. В противоположной распределительной торцевой стенке кольцевой камеры выполнены впускные и выпускные окна нагнетательного и расширительного агрегатов, отделенные друг от друга соответствующими подвижными поперечными перегородками. Отдельная камера сгорания размещена с внешней стороны распределительной торцевой стенки, и ее корпус снабжен механизмом перемещения относительно указанной стенки. Камера имеет плоскую стенку с окнами, периодически совмещенными с соответствующими окнами нагнетательного и распределительного агрегатов. Достоинствами двигателя является большая компактность роторно-поршневого двигателя в сравнении с обычными поршневыми двигателями, а так же благодаря тому, что объем полости расширения более чем в полтора раза больше объема полости сжатия достигается более полное Использование энергии расширения горючей смеси. Данный аналог, так же как и предыдущий, является двигателем внутреннего сгорания (ДВС) с выносной камерой сгорания, поэтому ему так же присущи все недостатки ДВС. Кроме того, сложность системы газораспределения и проблемы с уплотнением кольцевого поршня уменьшают конкурентоспособность такого двигателя относительно общеизвестных поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является роторный двигатель внешнего сгорания (роторный двигатель Стирлинга) по патенту RU №2208176 (опубликован 10.07.2003 г.) который принимается за аналог-прототип. Сущность технического решения прототипа заключается в том, что двигатель содержит объемную роторную машину, включающую в себя статор с торцевыми крышками, ротор-поршень, связанный через трансмиссию с выходным силовым валом, содержит так же нагреватель, регенератор, холодильник, каналы, оборудованные клапанами, рабочую среду и устройство регулирования давления рабочей среды. Статор прототипа оборудован тремя подвижными перегородками-шиберами, образующими, в совокупности со статором и ротором-поршнем, силовую, вытеснительную и промежуточную камеры. При этом цилиндрический ротор-поршень посажен на кривошип силового выходного вала и катится по внутренней цилиндрической поверхности статора либо он посажен соосно с силовым валом и оборудован по крайней мере одним кулачком. В этом двигателе основным нововведением является наличие промежуточной камеры, выполняющей функцию буферной емкости для отработанного газа и роль временного замедлителя, дающего возможность нагреть газ во время движения кулачка ротора по промежуточной камере. При всех несомненных достоинствах прототипа следует заметить, что полезные (рабочие) объемы камер составляют лишь небольшую часть от внутреннего объема цилиндрической полости статора, т.к. большую часть занимает объем ротора. Это обстоятельство является препятствием для улучшения массогабаритных характеристик двигателя.
Полезная модель имеет своей целью расширение арсенала конструктивных решений, используемых в двигателях внешнего сгорания. Техническим результатом полезной модели является более полное, по сравнению с прототипом, использование внутреннего объема статора.
Сущность полезной модели заключается в том, что в тепловой двигатель внешнего сгорания, содержащий объемную роторно-поршневую машину с выходным валом, резервуар - нагреватель и резервуар - холодильник, причем камеры объемной роторно-поршневой машины образованы двумя плоскими торцевыми крышками, внутренней цилиндрической полостью неподвижного цилиндрического статора, наружной поверхностью расположенного внутрь этой полости ротора-поршня, плоской, расположенной параллельно оси статора, наружной, по отношению к ротору-поршню, перегородкой-шибером, которая зафиксирована по углу поворота относительно статора, цилиндрическая полость статора снабжена окнами внешних по отношению к ротору-поршню камер, к окнам этих камер подсоединены трубопроводы, целесообразно сообщающиеся с резервуаром-нагревателем, резервуаром-холодильником и другими устройствами, причем ротор-поршень механически соединен с выходным валом, введены следующие существенные конструктивные изменения:
- Окна внешних камер выполнены на минимальном расстоянии от наружной перегородки-шибера по обе ее стороны
- Объемная роторно-поршневая машина снабжена неподвижным цилиндрическим сердечником, расположенным коаксиально цилиндрической полости статора.
- Ротор-поршень выполнен в форме трубы, примыкающей своею наружной поверхностью к внутренней поверхности цилиндрической полости статора, а внутренней поверхностью примыкающей к внешней цилиндрической поверхности сердечника, торцевыми поверхностями примыкающей к плоским торцевым крышкам.
- Ротор-поршень соединен с механизмом, обеспечивающим его плоскопараллельное движение внутри внутренней цилиндрической полости статора, при котором ось ротора-поршня эксцентрично вращается вокруг оси цилиндрической полости статора таким образом, что обеспечивается непрерывный контакт наружной и внутренней поверхностей ротора-поршня соответственно с внутренней поверхностью статора и с цилиндрической поверхностью сердечника.
Во внутренней полости ротора-поршня параллельно оси статора размещена плоская внутренняя перегородка-шибер, зафиксированная по углу поворота относительно сердечника и расположенная по отношению к наружной перегородке-шиберу под углом в пределах 30-120 угловых градусов, образуя внутренние камеры объемной роторно-поршневой машины.
- По обе стороны от внутренней перегородки-шибера, на минимальном от нее расстоянии, в сердечнике выполнены окна внутренних камер, сообщающиеся с внутренним пространством ротора-поршня, к указанным окнам подсоединены трубопроводы.
- Посредством трубопроводов соединены через резервуар-холодильник одно окно внутренней камеры и одно окно внешней камеры, а именно окна, расположенные на минимальном одно от другого расстоянии при измерении от центра поперечных сечений этих окон в зоне их пересечения с соответствующими камерами.
- Другая пара окон соединена посредством трубопроводов через резервуар-нагреватель, причем между окном внутренней камеры я резервуаром - нагревателем установлен обратный клапан в направлении открытого протока от окна камеры к резервуару-нагревателю.
Обозначенная сущность полезной модели очевидным образом связана с заявленным техническим результатом, т.к. ротор-поршень имеет кольцевое сечение и внутреннее цилиндрическое пространство ротора-поршня образует внутренние рабочие камеры двигателя.
Совокупность существенных признаков полезной модели не известна из уровня техники, следовательно, техническое решение является новым, причем обозначенная выше сущность полезной модели сообразна поставленной цели и отвечает заявленному техническому результату.
На Фиг.1 изображена схема теплового двигателя внешнего сгорания с более подробным изображением примененной в двигателе объемной роторно-поршневой машины.
На Фиг.2а, 2б, 2в изображена схема трех основных фаз полного цикла работы теплового двигателя внешнего сгорания, позволяющая пояснить принцип его действия.
Тепловой двигатель внешнего сгорания, содержит объемную роторно-поршневую машину (1), резервуар-нагреватель (2) и резервуар-холодильник (3), причем камеры объемной роторно-поршневой машины образованы двумя плоскими торцевыми крышками (не показаны), внутренней цилиндрической полостью неподвижного цилиндрического статора (4), наружной поверхностью расположенного внутри этой полости ротора-поршня (5), плоской, расположенной параллельно оси статора, наружной, по отношению к ротору-поршню, перегородкой-шибером (6), которая зафиксирована по углу поворота относительно статора (4), цилиндрическая полость статора снабжена окнами (7) и (8) внешних, по отношению к ротору-поршню (5), камер (9) и (10), к окнам этих камер подсоединены трубопроводы (11) и (12), сообщающиеся с резервуаром-нагревателем (2) и резервуаром-холодильником (3) соответственно. Согласно расчетам, наилучшие характеристики двигателя обеспечиваются в том случае, если объемы резервуара-нагревателя (2) и резервуара-холодильника (3) соотносятся в пропорции 1:3. Окна (7) и (8) внешних камер (9) и (10) выполнены на минимальном расстоянии от наружной перегородки-шибера (6) по обе ее стороны. Объемная роторно-поршневая машина 1 снабжена неподвижным цилиндрическим сердечником (13), установленным коаксиально цилиндрической полости статора (4). Ротор-поршень (5) выполнен в форме трубы, примыкающей своею наружной поверхностью к внутренней поверхности цилиндрической полости статора (4), внутренней поверхностью примыкающей к наружной цилиндрической поверхности сердечника (13), а торцевыми поверхностями примыкающей к плоским торцевым крышкам (не показаны). Ротор-поршень (5) соединен с механизмом (14), обеспечивающим его плоскопараллельное движение (качающееся) внутри внутренней цилиндрической полости статора (4), при котором ось ротора-поршня эксцентрично вращается вокруг оси цилиндрической полости статора таким образом, что обеспечивается непрерывный контакт наружной и внутренней поверхностей ротора-поршня соответственно с внутренней цилиндрической поверхностью статора (4) и с внешней цилиндрической поверхностью сердечника (13). Такой механизм может быть выполнен как совокупность двух или более кривошипных механизмов, пальцы которых укреплены в теле ротора-поршня (5) с возможностью вращения, а цапфы заподлицо укреплены в плоских торцевых крышках объемной машины (1) так же с возможностью вращения. Для уравновешивания динамических сил на цапфах кривошипных механизмов могут быть установлены противовесы (не показаны), расположенные оппозитно пальцам механизмов по общеизвестной механической схеме» (см. например: Дизели. Справочник. Под ред. В.А.Ваншейдта и др. Л. Машиностроение 1977, стр.115). Ротор-поршень (5) механически соединен с выходным валом (не показан) объемной роторно-поршневой машины (1) через зубчатую передачу (не показана) от двух или более цапф кривошипа к выходному валу. Во внутренней полости ротора-поршня (5) параллельно оси статора (4) размещена плоская внутренняя перегородка-шибер (15), зафиксированная по углу поворота относительно сердечника (13) и расположенная по отношению к наружной перегородке-шиберу (6) под углом в пределах 30-120 угловых градусов, образуя внутренние камеры (16) и (17) объемной роторно-поршневой машины (1). По обе стороны от внутренней перегородки-шибера (15), на минимальном от нее расстоянии, в сердечнике (13) выполнены окна внутренних камер (18) и (19), сообщающиеся с внутренним пространством ротора - поршня (5), к указанным окнам подсоединены трубопроводы (20) и (21). Посредством трубопровода (20) соединено через резервуар-холодильник (3) окно (18) внутренней камеры (17) и окно (7) внешней камеры (9), эти окна, расположены на минимальном одно от другого расстоянии при измерении от центра поперечных сечений этих окон в зоне их пересечения с соответствующими камерами. Окна (8) и (19) соединены посредством трубопроводов (11) и (21) через резервуар-нагреватель (2), причем между окном внутренней камеры (19) и резервуаром-нагревателем (2) установлен обратный клапан (22) в направлении открытого протока от окна камеры к резервуару-нагревателю. Конструкция перегородок-шиберов (6) и (15) обеспечивает их плоское движение в посадочных гнездах статора (4) и сердечника (15) и непрерывный герметичный контакт соответственно с внешней и с внутренней поверхностями ротора-поршня (5). Конструктивное решение этих узлов может быть следующее: в статоре (4) наружная перегородка-шибер (6) одним своим концом посажена в плоский щелевой канал (23), выполненный в теле статора (4), на другом же ее конце выполнены проушины (24), шарнирно связанные с бегунками (25), размещенными в канавках (26) на торцевых поверхностях ротора-поршня (5). Аналогично в сердечнике (13) внутренняя перегородка-шибер (15) одним своим концом посажена в плоский щелевой канал (27), выполненный в теле сердечника (13), на другом же ее конце выполнены проушины (28), шарнирно связанные с бегунками (29), размещенными в канавках (30) на торцевых поверхностях ротора-поршня.
Тепловой двигатель внешнего сгорания работает следующим образом:
а) За начало цикла работы двигателя примем положение (Фиг.2а), когда линия эксцентриситета (так далее по тексту), т.е. линия, соединяющая в плане геометрические центры ротора-поршня 5 и статора 4 образует с вертикалью угол 45° (движение линии контакта наружной поверхности ротора-поршня (5) и внутренней поверхности статора (4) происходит по часовой стрелке). Газ из резервуара-нагревателя (2), изотермически расширяясь, за счет подводимой тепловой энергии, под давлением поступает в расширяющуюся внешнюю камеру (10) и результирующей силой своего давления на наружную поверхность ротора-поршня (5), приложенной эксцентрично к его оси, приводит ротор-поршень (5) в движение. Внешняя камера (9) начинает при этом уменьшаться в объеме (сжиматься), и газ из нее поступает в резервуар-холодильник (3), где охлаждается и сжимается, имея при этом возможность перетекания во внутреннюю камеру (17). Внутренняя камера (17), в этом положении обладает максимальным объемом, а камера (16) соответственно - минимальным.
б) По мере движения ротора-поршня (5) линия эксцентриситета поворачивается и составляет с вертикалью угол 90° (Фиг.2б). Конфигурация внутренних камер (16) и (17) изменилась за счет прохождения линии контакта ротора (4) и сердечника (13) через плоскость внутренней перегородки-шибера (15). Камера (16) теперь содержит охлажденный газ, имеет максимальный объем и сжимается, а камера (17), имеет минимальный объем и расширяется. Газ из резервуара-нагревателя (2), расширяясь, под давлением продолжает поступать в расширяющуюся внешнюю камеру (10) и двигать ротор-поршень (5). Из сжимающейся камеры (9) газ продолжает поступать в резервуар-холодильник (3) и, далее, в расширяющуюся внутреннюю камеру (17). Содержащийся во внутренней камере (16) охлажденный газ, начинает адиабатически сжиматься, не имея выхода, поскольку давление в камере (10), соединенной с резервуаром-нагревателем (2), препятствует протоку газа из камеры (16) через обратный клапан (22) и резервуар-нагреватель (2) в камеру (10). Давление в камере (16) при этом повышается, а внутренняя энергия газа растет (запасается). При выравнивании давления во внутренней камере (16) и внешней камере (10) начинается вытеснение газа из камеры (16) через обратный клапан (22) и резервуар - нагреватель (2) во внешнюю камеру (10), при этом энергия, запасечная газом при сжатии в камере (16), расходуется с пользой в процессе его расширения в камере (10), складываясь с энергией, сообщенной газу в резервуаре-нагревателе (2). Поскольку объем и неуравновешенные поверхности у камеры (10) превышают таковые у камеры (16), то на сжатие газа в камере (16) расходуется лишь часть механической работы, совершаемой газом в результате его расширения во внешней камере (10). Следовательно, при определенных соотношениях объемов внутренних и внешних камер, данную фазу цикла двигатель может проходить даже без использования маховика. Расчеты показывают, что для этого объем резервуара-нагревателя должен быть не меньше максимального объема внешней камеры.
в) Ротор-поршень (5) перемещается, линия эксцентриситета поворачивается далее и составляет 0° с вертикалью, т.е. совпадает с нею (Фиг.2в). Это окончание цикла Внешняя камера (10) достигла максимального объема и заполнена «мятым», т.е. отработавшим фазу расширения горячим газом. Внешняя камера (9) при этом имеет минимальный объем.
В следующий момент времени при дальнейшем движении ротора-поршня (5) и прохождении линии контакта ротора-поршня (5) и статора (4) через плоскость наружной перегородки-шибера (6), осуществится изменение конфигурации внешних камер. Камеры (10) и (9) осуществят взаимное превращение, и конфигурация всех камер объемной машины будет соответствовать описанной в пункте «а». Далее цикл повторяется.