ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛА

Полезная модель относится к двигателестроению и может найти широкое применение при создании двигателей с внешним подводом тепла.
Известен двигатель внешнего сгорания или двигатель с внешним подводом тепла, содержащий рабочий цилиндр с внешним подводом тепла, поршень со штоком, поршень вытеснитель отработанного рабочего газа и тепловой регенератор тепла. В качестве газообразного тела двигателя обычно используют водород или гелий при высоких давлениях 10-14 МПа (100-140 ат) (см. Большая советская энциклопедия. Т.24, книга 1. М. Советская энциклопедия, 1978 г. стр.520).
Недостатком этого двигателя является сложность его конструкции и очень высокое давление рабочего газа, при котором работа двигателя становится эффективной. Поэтому этот двигатель с внешним подводом тепла почти не нашел практического применения (см. Политехнический словарь. М. Советская энциклопедия. 1989 г., стр.505).
Известен двигатель с внешним подводом тепла, содержащий цилиндр, разделенный поршнем со штоком на две части, сообщенные с рабочими камерами и заполненные рабочим газом, при этом рабочие камеры снабжены устройствами для поочередного и противофазного нагрева и охлаждения рабочего газа, камеры выполнены выносными и сообщены с цилиндром при помощи патрубков, а объем рабочих камер в 5-10 раз превышает объем цилиндра.
При этом рабочие камеры и цилиндр с остальными агрегатами размещены в изолированных друг от друга отсеках (см. патент RU №2073793, МПК-6: F02G 1/04, опубл. 20.02.1997 г.).
Задачей, на решение которой направлено известное изобретение, является упрощение известной конструкции двигателя, значительное снижение давления рабочего газа и придание двигателю способности работать при малой разности температур между нагревателем и охладителем, благодаря чему двигатель способен утилизировать тепло горячих газов-отходов от различных высокотемпературных установок.
Известен тепловой двигатель с внешним подводом теплоты, выбранный в качестве ближайшего аналога, содержащий, по меньшей мере, один расширительный и один компрессионный цилиндры, в каждом из которых размещен поршень, связанный механизмом преобразования движения с валом двигателя, и снабженные впускным и выпускным органами, расширительную магистраль с нагревателем, которая подключена к впускному органу расширительного цилиндра и выпускному органу компрессионного цилиндра, и компрессионную магистраль с охладителем, которая подключена к выпускному органу расширительного цилиндра и впускному органу компрессионного цилиндра, механизмы управления выпускным и впускным органами расширительного цилиндра, последний из которых содержит штангу, связанную через коромысло с впускным органом, отличающийся тем, что впускной орган компрессионного цилиндра и выпускной орган расширительного цилиндра выполнены в поршнях, механизм управления впускным органом расширительного цилиндра содержит зацеп, выполненный в поршне, и крюк, выполненный на штанге, причем на штанге и со стороны расширительного цилиндра сделаны наклонные встречно-параллельные поверхности, а механизм управления выпускным органом расширительного цилиндра состоит из фиксатора открытого и закрытого положений, выполненного в поршне, и толкателя, установленного в нижней части цилиндра.
При этом, двигатель снабжен механизмом управления фазой газораспределения впускного органа расширительного цилиндра в зависимости от разности давлений между расширительной и компрессионной магистралями и расширительные и компрессионные цилиндры расположены поочередно (см. патент RU, №2105156, Мкл. F01B 3/02. F01B 29/08. опубл. 20.02.98 г.).
Перечисленная совокупность признаков известного двигателя, по мнению ее создателей, позволяет повысить эффективность работы заявляемого двигателя вследствие наиболее полного использования перепада температур и давлений во всем диапазоне нагрузок и уменьшения потерь при газообмене.
А выполнение впускного органа компрессионного цилиндра и выпускного органа расширительного цилиндра в поршнях, позволяет сделать геометрические характеристики впускных и выпускных органов максимальных размеров, и вследствие чего, максимально уменьшить сопротивление при впуске и выпуске рабочего тела. Механизм управления впускным органом расширительного цилиндра известного устройства, по мнению его создателей, позволяет открывать впускной орган в начале такта расширения, и тем самым исключить потери на компрессию нагретого рабочего тела. А механизм управления выпускным органом расширительного цилиндра позволяет автоматически держать открытым выпускной орган во время всего такта выпуска, и тем самым наиболее полно очищать цилиндр от отработавшего рабочего тела.
Механизмом управления фазой газораспределения впускного органа расширительного цилиндра позволяет регулировать продолжительность открытия органа, и тем самым сохранить эффективность работы двигателя в широком интервале нагрузки.
На эффективные показатели двигателя известной конструкции влияет объем расширительной магистрали. Чем меньше ее объем, тем выше динамические качества двигателя. Поэтому для максимального сокращения ее объема, цилиндры расположены поочередно.
Не смотря на перечисленные достоинства известного двигателя, ему присущи недостатки. Так в известной конструкции не полностью раскрыты функциональные возможности, вследствие ограниченных возможностей механизма управления фазой газораспределения.
Кроме того, известная конструкция не способна рециркулировать отработанные отходящие газы. Помимо этого, известная конструкция не исключает потери на трение в двигателе, что не позволяет ей достигнуть требуемого КПД.
Кроме того, известная конструкция экологически не безопасна, поскольку выбрасываемые в атмосферу из камеры сгорания отработанные газы содержат токсичные вещества: окись углерода, несгораемые углеводородов, возникающие вследствие недостатка кислорода.
Таким образом, техническим результатом, на решение которого направлена заявляемая полезная модель, является значительное повышение КПД двигателя и снижение выброса токсических веществ в окружающую среду.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной конструкции двигателя с внешним подводом тепла, содержащей герметичный цилиндрический кожух, оснащенный валом, зону охлаждения и, оснащенную нагревательным элементом, зону нагрева, размещенные в кожухе по меньшей мере два рабочих цилиндра, поочередно контактирующих с зоной нагрева и охлаждения и, расположенные внутри каждого из них, поршни, связанные каждый со своим исполнительным механизмом, при этом, рабочие цилиндры расположены по окружности параллельно друг другу и оси кожуха, согласно полезной модели, кожух выполнен с возможностью осуществления вращения и в виде концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, заглушенных с обоих торцов, при этом, рабочие цилиндры расположены в сформированном наружной и внутренней стенами кожуха межтрубном пространстве, в качестве среды для нагрева и охлаждения используют воздух, подачу и удаление которого осуществляют через отверстия, выполненные соответственно во внутренней и наружной стенках кожуха, а объем межтрубного пространства, в который подается рабочая среда отделен от объема, из которого она удаляется с помощью эластичной перегородки, выполненной с возможностью беспрепятственного прохода через нее рабочих цилиндров при вращении кожуха.
Выполнение кожуха с возможностью вращения в виде концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, заглушенных с обоих торцов, расположение их в сформированном наружной и внутренней стенами кожуха межтрубном пространстве, использование воздуха в качестве среды для нагрева и охлаждения, осуществление подачи и удаления рабочей среды через отверстия, выполненные соответственно во внутренней и наружной стенках кожуха, и отделение объем межтрубного пространства, в который подается рабочая среда, от объема, из которого она удаляется с помощью эластичной перегородки, выполненной с возможностью беспрепятственного продвижения через нее рабочих цилиндров при вращении кожуха позволяет решить поставленные перед полезной моделью задачи, в частности, максимально снизить выброс в окружающую среду токсичных веществ и значительно повысить КПД двигателя.
Снижение выброса в окружающую среду токсичных веществ осуществляется благодаря тому, что нагрев-охлаждение в заявляемом двигателе осуществляется воздухом, то есть, в присутствии кислорода и, как следствие, образование таких токсичных веществ, практически исключено.
Повышение КПД заявляемого двигателя обеспечивается за счет значительного снижения потерь, затраченных на трение.
Помимо этого, в заявляемой конструкции двигателя происходит рециркуляция тепла не только отработанных отходящих газов, но рециркуляция тепла сгорания топлива, что также способствует еще большему повышению его КПД.
Это обеспечивается за счет того, что холодный воздух, поступающий в двигатель из окружающей среды, проходя в межтрубном пространстве, охлаждает цилиндры и нагревается сам, произведя работу в виде уменьшения объема объемно-расширяющегося рабочего тела. Далее нагретый воздух, попадая в нагревательную камеру, достигает необходимой температуры нагрева, нагревает объемно-расширяющееся тело до требуемой температуры, а сам при этом охлаждается до температуры, которая в идеале равна температуре воздуха на входе.
При этом, повышение КПД заявляемой установки способствует и также и снижению объема токсичных веществ. Это объясняется тем, что объем токсичных веществ зависит не только от качества топлива, но и от его количества. При этом, поскольку количество потребляемого топлива зависит от КПД установки, следовательно, чем выше КПД установки, тем, меньше объем потребляемого топлива, то есть, меньше объем токсичных веществ.
Заявляемая конструкция двигателя с внешним подводом тепла представлена на чертежах. На фиг.1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Двигатель с внешним подводом тепла содержит цилиндрический теплоизоляционный кожух 1, рабочие цилиндры 2 с объемно-расширяющимся рабочим телом 3. Кожух 1 выполнен в виде концентрично расположенных цилиндрических поверхностей. Торцы кожуха 1 заглушены с двух сторон фланцами 4 и 4'. Фланец 4 закрывает клапанная доска 5 с всасывающим 6 и нагнетательными 7 клапанами и каналами 8 для прохождения рабочего тела. Клапанная доска 5 закрыта корпусом 9, в котором выполнены технологические отверстия 10 для прохождения воздуха и крепления вращающего механизма 11. В центре кожуха 1 расположен вал 12, который с одной стороны присоединен к вращающему механизму 11, а с другой стороны закреплен в теплоизоляционном кожухе 1. Кожух 1 содержит отверстие 13 для подачи атмосферного воздуха, выполненное на внутренней цилиндрической поверхности кожуха 1 и отверстие 14 для выхода отработанного воздуха, выполненное на наружной цилиндрической поверхности кожуха 1. Внутри каждого из цилиндров 2 расположены поршни 15. Двигатель также содержит нагнетатель воздуха 16, исполнительный механизм 17, вал исполнительного механизма 18, трубу топливоподачи 19, форсунку 20 и эластичные перегородки 21.
Двигатель работает следующим образом.
Наружный воздух подается нагнетателем 16 во внутреннюю полость кожуха 1, далее через отверстие 13 в кожухе 1 поступает на обдув цилиндров 2. Обдувая цилиндры 2, воздух нагревается, при этом объемно-расширяющееся вещество внутри обдуваемого воздухом цилиндра 2 охлаждается. Вещество уменьшается в объеме и увлекает за собой поршень 15. Поршень 15 в свою очередь через всасывающий клапан 6 засасывает рабочую жидкость (рабочее тело) 3. Воздух, проходя в межтрубном пространстве нагревается и попадает в камеру сгорания, где нагревается до нужной температуры и, проходя далее, нагревает расположенные по его ходу цилиндры 2 и объемно расширяющееся вещество 3 в них. Поршень 15 этого цилиндра 2 за счет нагрева объемно расширяющегося вещества начинает вытеснять через нагнетательный клапан 7 рабочее тело 3. Рабочее тело 3, через нагнетательный клапан 7 и трубы 22, подается на исполнительный механизм 17, производя тем самым полезную работу. Воздух, проходя далее в межтрубном пространстве нагревая расположенные по его ходу рабочие цилиндры 2, охлаждается сам. Далее через выходное отверстие 14 отработанный воздух выводится наружу.
Вращение кожуха двигателя заявляемой конструкции осуществляется любым известным механизмом (электродвигателем, гидродвигателем и т.п.). Скорость вращения кожуха зависит от возможности охлаждения и нагрева цилиндров.