УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ
UNIVERSAL EXTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания, предназначенным для преобразования тепловой энергии в механическую работу, и может найти широкое применение на транспортных средствах и в большой энергетике, используя горячие источники, а также отходящее тепло тепловых электростанций.
Известные двигатели внешнего сгорания, предназначенные для вышеуказанных целей, это двигатели, описанные в патентах
- RU 2105179 С1 от 1998 года;
- US 3800526 A от 1974 года;
- RU 2132476 С1 от 1999 года;
- US 5325671 А от 1994 года;
- US 4753073 А от 1988 года;
- DE 10013560 А1 от 2001 года;
- US 3762167 А от 1973 года.
Наиболее близким по своей сущности является двигатель из патента RU 2105179 С1 от 1998 года, содержащий корпус с закрепленными с ним передней и задней крышками, размещенный в корпусе ротор с лопастями, при этом полости высокого давления рабочего тела-газа постоянно связаны с камерами сжатия и расширения, соединенными согласно рабочему циклу с охладителем и нагревателем.
Недостатками вышеописанного двигателя внешнего сгорания является то, что он не может работать от рабочего тела легкоиспаряющихся жидкостей и других, а также недостаточно надежное уплотнение вала отбора мощности.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, т.е. обеспечение универсальности работы от разных рабочих тел, это от рабочего тела-жидкостей легкоиспаряющихся и от рабочего тела-газа, резкое повышение долговечности работы и обеспечение высокой надежности герметичности при работе.
Поставленная задача достигается за счет того, что в двигателе внешнего сгорания, содержащем корпус с закрепленными с ним передней и задней крышками, размещенный в корпусе ротор с лопастями, в верхней или нижней части корпуса вдоль центральной оси корпуса как одно целое размещен аккумулятор, во внутренней полости в центре аккумулятора герметично установлена нагревательная трубка с размещенными в ее центральной полости в один ряд по центру герметично нагревательными тонкостенными патрубками, постоянно сообщающимися своей внутренней полостью с внутренней полостью аккумулятора, сообщающейся своим нижним окном с окном корпуса и рабочей камерой, расположенной во внутренней полости корпуса против охлаждающей полости и связанной с наружным диаметром ротора со ступенчатыми пазами, при этом в ступенчатых пазах ротора по свободной посадке установлены ступенчатые лопасти, а между ступенчатыми лопастями ротора выполнены камеры постоянного объема для переноса рабочего тела-жидкостей или рабочего тела-газа в охлажденном состоянии.
Поставленная задача достигается в новом уплотнении вала отбора мощности за счет того, что во внутренней полости передней крышки неподвижно установлены постоянные магниты, где между ними образуется свободная полость, заполненная постоянно смазывающей жидкостью с магнитным порошком, а в расточках магнитов размещены уплотнительные манжеты.
Поставленная задача во втором варианте нового уплотнения достигается за счет того, что в передней крышке неподвижно установлена центральная опора, имеющая в центре шаровую расточку, где по свободной посадке размещен передаточный вал своей шаровой поверхностью, а на его концах свободно установлены шаровые концевики, размещенные в смещенных сферических гнездах с торцов вала отбора мощности и приводного вала, а со стороны ротора на наружной поверхности передаточного вала установлен уплотнительный неподвижный колпак.
Данная компоновка двигателя внешнего сгорания - технический эффект при котором достигается тем, что установка аккумулятора с нагревательной трубкой вдоль оси корпуса двигателя, соединенного постоянно через окно в корпусе с рабочей камерой, позволяет делать ступенчатые лопасти длинными и за счет этого можно делать меньше диаметр двигателя, а давление рабочего тела-газа резко увеличить и соответственно меньше нагревать. Это касается и легкоиспаряющейся жидкости. Конструктивно предложенный двигатель внешнего сгорания сделан так, что достаточно повернуть его на 180° аккумулятором вниз и вместо газа залить полный объем внутренней полости аккумулятора легкоиспаряющейся жидкостью. При нагреве жидкость будет испаряться, превращаясь в пар, который будет давить на выдвинутые ступенчатые лопасти поочередно, а пар при дальнейшем вращении ротора, охлаждаясь, стекает во внутреннюю полость аккумулятора. При таком рабочем теле-жидкости не требуется специальных заправок, а просто можно продавать легкоиспаряющиеся жидкости в магазинах и на заправочных станциях. Не потребуется внедрять и сложные уплотнения, что в целом облегчит внедрение такого двигателя в жизнь. Легкоиспаряемые жидкости промышленностью освоены. Универсальность применения таким образом достигается в полном объеме. Предложенные два варианта новых уплотнений со 100% гарантией обеспечат высокую надежность и долговечность их работы.
Описание устройства и работы двигателя внешнего сгорания
На чертежах изображено следующее:
фиг.1 - продольный разрез двигателя внешнего сгорания;
фиг.2 - поперечный разрез А-А с аккумулятором в верхней части корпуса двигателя;
фиг.3 - поперечный разрез А-А с аккумулятором в нижней части корпуса двигателя;
фиг.4 - вид сбоку ротора со ступенчатыми лопастями и уплотнительными шпонками;
фиг.5 - разрез В-В, смотрите фиг.4;
фиг.6 - продольный разрез второго варианта уплотнения вала отбора мощности.
Двигатель внешнего сгорания состоит из следующих частей: корпуса 1, где в верхней части имеется выступ 2 с окном 3 и размещенный на нем вдоль оси как одно целое аккумулятор 4. Во внутренней полости 7 в центре аккумулятора 4 герметично установлена нагревательная трубка 5, имеющая в центральной полости герметично в один ряд по центру или под углом установленные близко друг к другу нагревательные патрубки 6.
Нагревательные патрубки 6 своей внутренней полостью сообщаются с внутренней полостью аккумулятора 4. Предложенная конструкция нагревательной трубки 5 очень будет эффективна при нагревании пламенем, горячей водой и горячим паром потому, что имеет большую нагревательную площадь за счет установленных в один ряд близко друг к другу нагревательных, тонкостенных патрубков и они же обеспечивают очень высокую жесткость при тонких стенках, что и требуется при высоком давлении рабочего тела-газа. При работе двигателя на рабочем теле-жидкостях, легкоиспаряющихся, предложенная нагревательная трубка 5 отвечает всем требованиям эффективного испарения. Внутренняя полость 7 аккумулятора 4 постоянно сообщается через нижнее окно 8 с окном 3 и рабочей камерой 9, расположенной во внутренней полости корпуса 1 в пределах 180° и больше. Совместно с окном 3 корпуса 1 и рабочей камерой 9 сделан короткий сообщающийся паз 10, чтобы обеспечить непрерывное вращение ротора 11, свободно размещенного в центральной полости корпуса 1 и неподвижно соединенного с помощью шпонки 12 с валом 13 отбора мощности. На наружной поверхности против рабочей камеры 9 в корпусе 1 выполнена охлаждающая полость 14 независимая, внутри с ребрами 15 жесткости для лучшего охлаждения с тонкой стенкой и закрытой герметично крышкой  16. В крышке  16 имеется два окна 17 и 18 входное и выходное для охлаждающей жидкости. В роторе 11 сделаны ступенчатые пазы, где по свободной посадке установлены ступенчатые лопасти 19, подпружиненные пружинами 20. С двух сторон каждой ступенчатой лопасти 19 имеются перепускные пазы 21 и 22, а с рабочего торца сделан радиус, чтобы при работе лопасть 19 полностью уравновешивалась от высокого давления, а прижималась сама лопасть 19 только силой пружины и силой инерции, с которыми можно бороться, что резко повысит долговечность. С двух сторон ротора 11 неподвижно установлены передняя перегородка 23 с передней крышкой 24 и закреплены болтами 25, а с другой стороны установлены задняя перегородка 26 и задняя крышка 27, где в нижней части сделана свободная полость 28, куда заливается жидкая смазка на уровень высоты полости 28 для смазки ротора 11 и ступенчатых лопастей 19 методом окунания, что обеспечит качественную смазку всех трущихся пар и при этом масло, попав в постоянную камеру 29 ротора 11 между лопастями 19, не будет попадать в нагревательную полость 7 аккумулятора 4, расположенного вверху благодаря постоянному повышенному давлению, а попадая опять вниз, снова охлаждается и прижимается к стенке давлением. Передняя крышка 24 и задняя крышка 27 уплотняются кольцами 30. Задняя крышка 27 крепится неподвижно болтами 31. Вал 13 отбора мощности установлен в подшипниковых опорах 32 и 33. Подшипниковые опоры 32 и 33 необходимо смазывать густой термостойкой смазкой, это при первом варианте уплотнения (с помощью магнитов), а при втором варианте уплотнения вала 13 отбора мощности, подшипниковые опоры 32 и 33 будут смазываться жидкостной смазкой. Это относится к варианту, когда аккумулятор 4 расположен в верхней части, а внутренняя полость 7, камера 29 и рабочая камера 9 заполнены под давлением рабочим телом-газом.
Устройство первого варианта уплотнения состоит из следующих частей. Во внутренней расточке передней крышки 24 неподвижно установлены два постоянных магнита 34 или два электромагнита, образующие между собой свободную полость 35, постоянно заполненную жидкостной смазкой совместно с микромагнитным порошком. Полость 35 закрыта прокладкой 36 и пробкой 37. Между магнитами 34 установлено распорное кольцо 38, закрепленное совместно с помощью крышки 39 болтами 40. В расточках по наружному диаметру магнитов 34 неподвижно установлены уплотнительные манжеты 41 и 42.
Уплотнение боковых сторон ротора 11 совместно со ступенчатыми лопастями 19 сделано следующим образом. С двух сторон с боков ротора 11 сделаны пазы, где по свободной посадке установлены уплотнительные шпонки 43, подпружиненные пластинчатыми волнообразными пружинами 44. В ступенчатых лопастях 19 с двух рабочих сторон сделаны шпоночные пазы с боковым срезом, где по свободной посадке установлены уплотнительные шпонки 45 с боковым срезом и подпружинены волнообразными пластинчатыми пружинами 46.
Особое внимание необходимо обратить при разработке рабочих чертежей на то, что зазоры 47 и 48 необходимо делать не более двух миллиметров, это будет влиять на герметичность рабочих секторов между двумя лопастями.
Второй вариант уплотнения вала отбора мощности состоит из следующих частей: передняя крышка 24 двигателя, где со стороны ротора 11 в расточке установлен вал 13 отбора мощности с торцовым фланцем в подшипниковой опоре 33. В центральной полости крышки 24 неподвижно установлена центральная опора 49, имеющая в центре сферическую поверхность, где свободно размещен передаточный вал 50. На наружной поверхности передаточного вала 50 неподвижно установлен специальной формы колпак 51 от большого давления. Колпак 51 должен быть сделан из полиуретана и желательно термостойкого. Для этих целей есть много маслостойких резин. На концах передаточного вала 50 по свободной посадке установлены шаровые концевики 53, размещенные в сферических гнездах фланца вала 13 отбора мощности и во фланце приводного вала 54, установленного в подшипниках 55 в центральной полости корпуса 56, закрепленного неподвижно болтами 57. Между подшипниками 55 установлена распорная втулка 58. Приводной вал 54 уплотняется манжетой 59. В свободную полость приводного вала 54 заливается жидкая смазка через пробку 60 с прокладкой 61, а в свободную полость, где размещен уплотнительный колпак 51, тоже заливается жидкая смазка через пробку 62 с прокладкой 63. Таким образом с вышеописанным уплотнением подшипниковые опоры 33 качественно могут смазываться при работе, что обеспечит долговечность. Достоинство вышеописанного уплотнения в том, что уплотнительный колпак 51 работает без трения износа, а только на изгиб и небольшое растяжение.
6
14
4
10
6
14
Универсальность применения в работе двигателя внешнего сгорания в том, что его устройство практически не изменяется, применяя с разными рабочими телами (телом-газ, телом-легкоиспаряющиеся жидкости). Отличаются по устройству только тем, что во втором варианте в задней крышке 27 по условиям работы не требуется полость 28 для смазки ротора 11 со ступенчатыми лопастями 19. В данном случае рабочее тело - легкоиспаряющиеся жидкости - будут являться смазкой, такие материалы сейчас выпускаются промышленностью. Чтобы двигатель заставить работать на легкоиспаряющихся жидкостях, необходимо просто повернуть двигатель вокруг своей оси на 180° аккумулятором 4 вниз, смотрите фиг.3, а полость 7 аккумулятора 4 полностью заполнить легкоиспаряющейся жидкостью, и двигатель внешнего сгорания готов к работе. В этом случае пригодно уплотнение первого варианта с постоянными магнитами, а сложный второй вариант выгодно применять с рабочим телом-газ. Например, используя легкоиспаряющиеся жидкости СF перфторгексан и GF декафтрорбутан, можно достичь КПД двигателя с перепадом температур 10-80°С до 30%. Применяя СF перфторгексан в интервале температур 60-170°С КПД, можно достичь 50%. Эти жидкости не токсичны и не горят. Много есть жидкостей и других для этих целей.
Работа двигателя внешнего сгорания с рабочим телом-газ (см. фиг.2).
Для нормальной работы двигателя внешнего сгорания необходимо в полость 7 аккумулятора 4 через окно 3 заполнить рабочую камеру 9 рабочим телом-газ на большое давление в пределах расчетного, а охлаждающую полость 14 подключить к охлаждающей жидкости, обеспечив ей циркуляцию. Пропуская через нагревательную трубку 5 горячий газ пламени или горячую воду, то в данный момент времени, рабочее тело-газ в аккумуляторе быстро нагревается и давление резко возрастает, со стороны охлаждающей полости 14 рабочее тело-газ охлаждается, в результате образуется перепад давления рабочего тела-газа в рабочей камере 9, с большим усилием давит на одну выдвинутую ступенчатую лопасть 19, находящуюся в рабочей камере 9, заставляя поворачиваться на расчетный угол ротор 11 и больше. При дальнейшем вращении ротора 11 выдвигается последующая ступенчатая лопасть 19 совместно с камерой 29 постоянного объема для переноса охлажденного тела-газа в нагревательную полость 7 аккумулятора. В данный момент времени охлажденный газ быстро нагревается и, расширяясь, давит на вторую ступенчатую лопасть 19, находящуюся в рабочей камере 9, заставляя постоянно вращаться ротор 11, а первая ступенчатая лопасть 19 сжимает постоянный объем в камере 29 и одновременно рабочее тело-газ охлаждается, двигаясь по холодной стенке охлаждающей полости 14, и опять возвращается в нагревательную полость. Таким образом циклы один за другим повторяются, заставляя постоянно вращаться ротор 11 с валом 13 отбора мощности. Мощность двигателя зависит от перепада температур горячего и холодного тела-газа, поэтому радиатор охлаждения воды или антифриза должен держать температуру не более 4,0-60°С, чем меньше, тем лучше.
Работа двигателя внешнего сгорания с рабочим телом-легкоиспаряющейся жидкостью с нижним расположением аккумулятора (см. фиг.3).
Для нормальной работы двигателя внешнего сгорания необходимо полость 7 аккумулятора - А весь объем заполнить рабочим телом - легкоиспаряющейся жидкостью, а охлаждающую полость 14 заполнить охлаждающей жидкостью, обеспечив ее циркуляцию через радиатор. Затем пропуская через нагревательную трубку 5 горячий газ - пламени или горячую воду с наибольшей температурой, то в данный момент времени, рабочее тело-легкоиспаряющаяся жидкость, нагреваясь, превращается в пар, который заполняет рабочую камеру 9 и с наибольшим усилием давит на выдвинутую ступенчатую лопасть 19, находящуюся в рабочей камере 9, заставляя проворачиваться ротор 11 на 90° и больше. При дальнейшем вращении ротора 11 выдвигается последующая ступенчатая лопасть 19 совместно с камерой 29 постоянного объема для переноса охлажденного рабочего тела-легкоиспаряющейся жидкости, которая сливается в полость 7 аккумулятора через паз 10 и окно 3 в выступе 2 корпуса 1 и снова начинает быстро испаряться, образуя пар, который давит на вторую ступенчатую лопасть 19, последняя продолжает проворачивать дальше ротор 11 на расчетный угол и больше, а между первой ступенчатой лопастью 19 и второй в камере 29 постоянного объема отработанный пар переносится в охлажденную зону, где в охлаждающей полости 14 циркулирует холодная охлаждающая жидкость. Горячий пар, соприкасаясь с холодной стенкой, быстро конденсируется, превращаясь в жидкость, и при дальнейшем вращении ротора 11 стекает в полость 7 аккумулятора 4 через паз 10 и окно 3 выступа 2. Таким образом циклы повторяются один за другим, заставляя вращаться ротор 11 с постоянной скоростью.
Преимущество данного цикла работы с рабочим телом -легкоиспаряющейся жидкостью - имеет огромное преимущество, все детали двигателя не испытывают больших нагрузок от давления пара, легко такой двигатель внедрить на транспортных средствах потому, что легкоиспаряющуюся жидкость можно легко возить с собой или заправлять на любом заправочном пункте, если произошла утечка из-за изношенного уплотнения вала отбора мощности. Недостатком данной конструкции двигателя внешнего сгорания можно назвать то, что необходимы специальные износостойкие материалы, хотя они существуют, но специалисты могут бояться не достичь нужного эффекта долговечности работы. Этот недостаток легко исправить, поручив ученым химикам создать такую жидкость, которая обладала бы достаточными смазывающими свойствами.
Рекомендация внедрения предложенного двигателя универсального внешнего сгорания заключается в следующем.
Вариант первый и самый совершенный с технической точки зрения - сделать абсолютно экологичный чистый двигатель внешнего сгорания, работающий от нагрева с помощью простой и безопасной реакции, состоящей из двух компонентов: катализатора и концентрированной перекиси водорода. Необходимо сделать патрубок с фланцем, заглушенным с одного торца, где нет фланца, а во внутренней полости патрубка разместить катализатор. Со стороны заглушенного торца разместить распылитель концентрированной перекиси водорода и под расчетным давлением подавать во внутреннюю полость патрубка, присоединенного с помощью фланца к нагревательной трубке 5, где концентрированная перекись водорода с помощью катализатора будет превращаться в пар с температурой от 400 до 800°C. Образовавшийся пар высокой температуры, проходя во внутренней полости нагревательной трубки 5, будет нагревать рабочее тело-газ, заставляя вращаться ротор 11 с помощью лопастей 19 с валом 13 отбора мощности. Чтобы убедиться в вышеизложенном, смотрите журнал «Наука и жизнь» от 2001 года №8, в котором есть статья про паровой вертолет на странице 57. Предложенный первый вариант не имеет аналогов в данный момент времени, а также является достаточно безопасным и полностью экологически чистым, совершенным технически, а также самым простым по устройству на данный момент времени. Вариант второй: можно сделать гибридный двигатель, используя универсальный двигатель внешнего сгорания для накопления энергии и увеличения мощности, используя для этого выпускные газы для нагрева рабочего тела. Чтобы увеличить мощность любого двигателя внутреннего сгорания, необходимо вал 13 отбора мощности соединить с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, а выпускную трубу с помощью фланцев соединить с нагревательной трубкой 5. В данном случае выпускные газы, проходя во внутренней полости нагревательной трубки 5, будут нагревать рабочее тело-газ, который, расширяясь, будет совершать дополнительную работу, вращая ротор 11 с валом 13 отбора мощности, создавая дополнительный крутящий момент на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания, что в свою очередь увеличивает общую мощность и резко снижает расход топлива до 50%, что очень экономически выгодно, а также резко снижает общее загрязнение атмосферы. Таким способом можно практически снизить расход топлива на всех видах транспорта.
Вариант третий: выбирая вид топлива, необходимо в каждом случае делать нагревательное устройство индивидуально, исходя из поставленной цели.