ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО НАГРЕВА НА ОСНОВЕ ПОРШНЯ-ВЫТЕСНИТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внешнего нагрева и может иметь широкий диапазон использования: транспорт, энергетика, энергосбережение, устройства демонстрационного типа. Например, может найти применение в качестве автономных энергоустановок и двигателей для стационарных и передвижных объектов для получения электроэнергии в отдаленных местах при любых условиях; при конструировании компактных и экологически чистых высокоэффективных двигателей; и др. Перспективно использование двигателя для производства дешевой электроэнергии, особенно в труднодоступных районах на местном сырье.
Известно, что в двигателе с внешним подводом тепла в качестве рабочего тела обычно используют водород или гелий при высоких давлениях 10-14 МПа (100-140 ат), который находится в замкнутом пространстве рабочей камеры-цилиндра, ограниченном подвижным элементом (см. Большая советская энциклопедия. Т. 24, книга 1. М. Советская энциклопедия, 1978, с. 520).
Поскольку водород и гелий являются очень дорогими, трудно закачиваемыми и горючими материалами, склонными к самовоспламенению, общим недостатком таких двигателей является низкая надежность, пониженная безопасность, наличие утечки дорогостоящего рабочего тела, опасный и сложный процесс заправки и вынужденной постоянной дозаправки рабочего тела, что ограничивает возможности их использования. Известен двигатель с внешним подводом теплоты к легкокипящему жидкому рабочему телу для его испарения и увеличения внутренней энергии образующегося газообразного рабочего тела, содержащий горизонтально установленный охлаждаемый цилиндр, размещенный в нем с образованием рабочей полости поршень, кинематечески связанный с валом отбора мощности, теплоаккумулятор с испарительной камерой, заполненной рабочим телом, размещенный на торце цилиндра и выполненный с ним в виде единого блока, разделенного теплоизолирующей перегородкой на две смежные полости - холодную и горячую, с выполненными в перегородке каналами, сообщающими полости между собой и расположенные не ниже уровня жидкой фазы рабочего тела в испарительной камере (а.с. №1620664, F02G 1/04, 1991).
Недостатком данного решения является невысокая эффективность нагревателя, недостаточная эффективность и низкая экономичность двигателя из-за его конструктивных особенностей.
Известен двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий рабочий цилиндр, поршень, соединенный кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом, вытеснительную камеру с холодной и горячей зонами, внутренняя поверхность которой выполнена в виде поверхности вращения, ось которой совмещена с осью коленчатого вала, внутренний объем которой сообщен с полостью рабочего цилиндра, расположенный в вытеснительной камере и соединенный с коленчатым валом вытеснитель, выполненный ступенчатым из теплоизоляционного материала и установленный на коленчатом валу под фазовым углом по отношению к плоскости кривошипа, при этом большая ступень вытеснителя установлена в вытеснительной камере с зазором, регенератор, выполненный в виде тепловой трубы, участок испарения которой присоединен в стенке вытеснительной камеры в месте перехода от горячей зоны к холодной по ходу вращения вытеснителя, а участок конденсации в месте перехода от холодной зоны к горячей. Данное решение позволяет улучшить некоторые эксплуатационные характеристики, упростить конструкцию и повысить коэффициент полезного действия двигателя (патент RU 2068109, F02G 1/043, 1996).
Однако его недостатком является недостаточная эффективность нагревателя, ограниченные эксплуатационные возможности, низкая надежность и безопасность, наличие утечки рабочего тела.
Известен двигатель Стирлинга, содержащий станину, выполненную в виде двух пластин, выполненных заодно с днищем горячего цилиндра, перпендикулярных к оси коленчатого вала, установленные на станине, горячий цилиндр, расположенный на торцевых поверхностях пластин, и холодный цилиндр, расположенный на боковых поверхностях пластин, закрепленный в станине между пластинами кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом и маховиком, подключенный к рабочему и вытеснительному поршням, размещенным соответственно в холодном и горячем цилиндрах, с образованием в холодном цилиндре первой полости сжатия и с разделением горячего цилиндра на вторую полость сжатия, заключенную между днищем и поршнем, и полость расширения, заключенную между крышкой цилиндра и поршнем, магистраль,, соединяющую между собой полости сжатия, регенератор, установленный в горячем цилиндре и сообщающий вторую полость сжатия с полостью расширения, нагреватель, примыкающий к полости расширения, и охладитель воздушного охлаждения, примыкающий ко второй полости сжатия (А.С. SU 1744293, F02G 1/043, 1992; Скурьят Э.Н., Техника - молодежи, И снова «Стерлинг», 1986-07, с. 29). Принято за прототип.
Недостатками данного решения являются недостаточная эффективность и экономичность работы двигателя, наличие потерь при передаче теплоты из-за низкой эффективности нагревателя, обусловленной плохим и. неравномерным подводом тепла по материалу нагревателя к внутренней полости горячей зоны, возможные потери рабочего тела и связанные с эти проблемы, пониженный коэффициент полезного действия из-за проблем теплопередачи, что ограничивает эксплуатационные возможности двигателя.
Таким образом, известные двигатели внешнего нагрева требуют дальнейшего усовершенствования.
Задачей, на решение которой направлено данное предложение, является создание высокоэффективного двигателя внешнего нагрева с расширенными эксплуатационными возможностями, повышенными надежностью, безопасностью и экономичностью, простого в использовании путем улучшения теплопередачи и теплообмена, снижения потерь при передаче тепла, увеличения скорости изменения внутренней энергии рабочего тела, исключения утечки рабочего тела.
Технический результат заключается в повышении эффективности, эксплуатационных возможностей, надежности, безопасности, экономичности, удобства использования и коэффициента полезного действия двигателя внешнего нагрева, а также расширении арсенала подобных средств.
Сущность полезной модели заключается в том, что в двигателе внешнего нагрева на основе поршня-вытеснителя Стирлинга, содержащем рабочий поршень, размещенный в рабочем цилиндре и подключенный через шток к коленчатому валу с маховиком, поршень-вытеснитель, расположенный в вытеснительной камере, выполненной в виде теплообменного цилиндра с нагреваемой и охлаждаемой зонами, регенератор в виде щелевого зазора между вытеснительной камерой и поршнем-вытеснителем, сообщающий полости охлаждаемой и нагреваемой зон, канал, соединяющий рабочий цилиндр и вытеснительную камеру, нагреватель, подводящий теплоту к рабочему телу, охладитель и устройство для внешнего нагрева, особенность состоит в том, что рабочий цилиндр установлен горизонтально, расположен выше вытеснительной камеры, которая соединена с рабочим цилиндром трубкой с возможностью вращения на ней и подключена к коленчатому валу с возможностью осуществления попеременных наклонов в сторону нагреваемой или охлаждаемой зоны, поршень-вытеснитель жестко закреплен на шарнире, устройство для внешнего нагрева выполнено в виде камеры сгорания, нагреватель выполнен из материала с высокой теплопередачей в виде стержня, который закреплен в вытеснительной камере и установлен другим концом в расположенной рядом с ней камере сгорания с возможностью вращения, и, по меньшей мере, части круговой пластины, которая закреплена к стержню и концентрично расположена в полости нагреваемой зоны вытеснительной камеры с зазором до торцевой крышки, при этом в качестве рабочего тела использована легко испаряемая жидкость. Особенность также и в том, что легко испаряемая жидкость может представлять собой бензин, или аммиак, или спирт, или т.п. Двигатель может быть оборудован топливным баком. Двигатель, в частности, снабжен насосом для впрыска рабочего тела. В качестве материала нагревателя предпочтительно использованы медь или медные сплавы. В качестве охладителя можно использовать алюминиевые радиаторы. Особенность и в том, что возможно использование как водяного, так и воздушного охлаждений.
Данная совокупность существенных признаков позволяет получить указанный технический результат.
Выполнение нагревателя из материала с большой теплопередачей, например, меди или медного сплава (теплопередача меди одна из самых больших в природе равна 385 Вт/(м×К)), позволяет интенсифицировать процесс нагрева, повысить его скорость и эффективность, следовательно, повысить коэффициент полезного действия двигателя.
Использование для передачи теплоты непрерывно контактирующего с источником тепла непосредственно внутри камеры сгорания медного стерженя и связанной с ним медной пластины, которая расположена непосредственно в полости нагреваемой зоны вытеснительной камеры, позволяет получить постоянно связанную с нагревателем нагреваемую зону, интенсифицировать процесс нагрева, постоянно достигать желаемой температуры в нагреваемой зоне, проводить нагрев до более высоких температур, снизить потери тепла в окружающую среду и таким образом интенсифицировать процессы теплопередачи и теплообмена. Большая часть тепла от внешнего источника обеспечивает получение полезной работы, что увеличивает коэффициент полезного действия двигателя. Достигается равномерный нагрев нагревателя, что увеличивает эффективность его работы. За счет уменьшения теплового сопротивления между источником теплоты и нагревателем из меди повышается надежность двигателя. Значительно повышена безопасность двигателя, снижены энергозатраты, повышена эффективность использования теплоты сгорания топлива, снижены потери тепла.
Физические свойства рабочего тела (плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность) определяют экономичность двигателя. Использование в качестве рабочего тела легко испаряемой жидкости, например, бензина, позволяет упростить его нагрев, т.к. нагреть газ всегда сложнее, чем жидкость. На медной пластине достаточно большой площади непосредственно контактирующий с ней жидкий плотный бензин легко нагреть. Непосредственный контакт рабочего тела с пластиной повышает скорость изменения его внутренней энергии. Это увеличивает степень сжатия и обеспечивает теплопередачу и теплообменный процесс с оптимальным расширением рабочего тела, что позволяет получить высокий коэффициент полезного действия. Использование в качестве рабочего тела легко испаряемой жидкости, например, бензина, а не газа позволяет повысить коэффициент теплоотдачи и удельную теплоемкость, оптимизировать рабочий диапазон температур и давлений, что повышает надежность и безопасность двигателя, снижает его материалоемкость. Компактность конструкции позволяет устанавливать предложенный двигатель на автомобиль. За счет улучшения подвода тепла к рабочему телу и уменьшения теплового сопротивления между источником теплоты и нагревателем повышается энергоэффективность двигателя.
При использовании легко испаряемой жидкости повышается экономичность работы двигателя, исключается потеря рабочего тела при эксплуатации.
При необходимости жидкое рабочее тело можно легко залить даже вручную, что упрощает эксплуатацию двигателя, позволяя использовать его в отдаленных местностях.
Подключение вытеснительной камеры к коленчатому валу, жесткое закрепление поршня-вытеснителя на шарнире и возможность вращения вытеснительной камеры на соеденительной трубке обеспечивает наклон вытеснительной камеры и полное перетекание конденсированного из пара жидкого рабочего тела в полость нагреваемой зоны, что повышает удельную мощность двигателя.
Тепло из камеры сгорания не выбрасывается, не требуется коробка передач в трансмиссии, что повышает коэффициент полезного действия двигателя. Частота вращения составляет около 200-500 оборотов в минуту. Малая частота вращения снижает износ двигателя. Рабочий поршень с цилиндром не нужно подвергать большому нагреву, что увеличивает срок службы двигателя.
Таким образом, снижены потери при теплопередаче, повышены мощность и коэффициент полезного действия двигателя, увеличены моторесурс, надежность и безопасность работы, повышена топливная экономичность и исключена утечка рабочего тела, обеспечена возможность эксплуатации в любом месте при любых условиях. Созданы предпосылки уменьшения массы двигателя. Расширен арсенал подобных средств.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства, когда рабочий поршень находится в крайнем левом положении, общий вид; на фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, когда рабочий поршень находится в крайнем правом положении, общий вид; на фиг. 3 - принципиальная схема заявляемого устройства, вид сбоку.
Двигатель является двухтактным поршневым двигателем внешнего нагрева замкнутого цикла с легко испаряемым рабочим телом, работающим на любом топливе. Двигатель внешнего нагрева содержит рабочий поршень 1, размещенный в рабочем цилиндре 2, который может быть оборудован устройством подачи рабочего тела, например, насосом 3 для его впрыска, вытеснительную камеру 4 в виде теплообменного цилиндра с нагреваемой зоной 5 и охлаждаемой зоной 6, в которой размещен с зазором поршень-вытеснитель 7, регенератор (не указано), сообщающий полости нагреваемой зоны 5 и охлаждаемой зоны 6, нагреватель (не указано), охладитель (не показано), устройство внешнего нагрева в виде камеры сгорания 8, привод рабочего поршня 1 со штоком 9, шток 10 поршня-вытеснителя 7, привод вытеснительной камеры 4 со штоком 11, коленчатый вал 12, соединительную трубку 13 между рабочим цилиндром 2 и вытеснительной камерой 4. При этом в качестве рабочего тела использована легко испаряемая жидкость, например, бензин, аммиак, спирт и др. Двигатель может быть оборудован топливным баком 14 и при использовании в качестве топлива каменного угля, древесины, торфа и т.п. снабжен винтовым конвейером 15 для подачи твердого топлива из топливного бака 14 в камеру сгорания 8. Рабочий цилиндр 2 установлен горизонтально и расположен выше вытеснительной камеры 4. При этом вытеснительная камера 4 установлена с возможностью вращения на трубке 13 и поключена к коленчатому валу 12 с возможностью осуществления попеременных наклонов в сторону нагреваемой зоны 5 или охлаждаемой зоны 6. Поршень-вытеснитель 7 жестко закреплен на шарнире (не указано) и расположен в вытеснительной камере 4 с относительно большим круговым зазором. Коленчатый вал 12 с маховиком (не показано) соединен системой приводов через шток 9 с рабочим поршнем 1, осуществляющим возвратно-поступательное движение, и через шток 11 с вытеснительной камерой 4, попеременно наклоняющейся в сторону нагреваемой или охлаждаемой зоны 5, 6 соответственно. Нагреватель выполнен из материала, обладающего высокой теплопередачей, например, меди, медных сплавов, в виде стержня 16, который закреплен в вытеснительной камере 4 и установлен другим концом в расположенной рядом с ней камере сгорания 8 с возможностью вращения, и круговой пластины 17, которая закреплена к стержню 16. При этом пластина 17 концентрично расположена в полости нагреваемой зоны 5 вытеснительной камеры 4, доходя с зазором до поверхности торцевой крышки (не указано). Пластина 17 может быть выполнена в виде плоского круглого нагревательного листа, закрепленного к стержню 16 или части этого листа. В качестве охладителя можно использовать, в частности, алюминиевый радиатор, а также систему водяного охлаждения, например, закрепление штока 10 на баке с водой. Возможно выполнение охлаждения и другими приемлемыми известными способами, в том числе воздушным охлаждением. Регенератор представляет собой щелевой зазор между стенками вытеснительной камеры 4 и поршня-вытеснителя 7.
Подразумевается, что предложенная компоновка представляет собой самостоятельные модули для сборки многоцилиндровых двигателей с передачей мощности на общий коленчатый вал или другой механизм.
Двигатель внешнего нагрева работает следующим образом.
Легко испаряемая жидкость, в частности, бензин, например, нажатием кнопки сидящего в кабине водителя машины, насосом 3 подается в рабочий цилиндр 2 и стекает в расположенную ниже вытеснительную камеру 4. При этом насос 3 приводится в действие электромотором. При необходимости легко испаряемое жидкое рабочее тело, например бензин, легко залить даже вручную. Рабочий поршень 1 находится в крайнем левом положении (фиг. 1). Вытеснительная камера 4 наклоняется приводом 11 от коленчатого вала 12 двигателя. Поршень-вытеснитель 7 находится в полости охлаждаемой зоны 6. Бензин стекает в наклонившуюся полость ее нагреваемой зоны 5, где в процессе нагрева испаряется. Первая порция бензина сгорит, но от этого сгорит кислород и бензин больше гореть не будет. Увеличивается давление, рабочий поршень 1 перемещается в крайнее правое положение (фиг. 2), совершая полезную работу. Вытеснительная камера 4 наклоняется охлаждаемой зоной 6, поршень-вытеснитель 7 перемещается в полость нагреваемой зоны 5. В полости охлаждаемой зоны 6, нагретый пар отдает свою теплоту ее стенкам, конденсируется, сжимаясь. Давление падает и рабочий поршень 1 под действием маховика перемещается в крайнее левое положение (фиг. 1). Вытеснительная камера 4 наклоняется нагреваемой зоной 5. Поршень-вытеснитель 7, жестко закрепленный на шарнире, под действием наклонившейся вытеснительной камеры 4 передвигается в полость охлаждаемой зоны 6, вытесняя оставшуюся несконденсированную часть пара в полость нагреваемой зоны 5, туда же стекает жидкий бензин. Здесь жидкий бензин испаряется, а пар продолжает нагреваться и расширяться, увеличивая давление. Под действием увеличивающегося давления, рабочий поршень 1 передвинется и совершит полезную работу. Вытеснительная камера 4 наклонится в сторону полости охлаждаемой зоны 6, в нее перетечет неиспарившаяся часть бензина, где не будет испаряться. Поршень-вытеснитель 7 передвинется в полость нагреваемой зоны 5, вытесняя пар в полость охлаждаемой зоны 6, где пар, охлаждаясь, сжимается. Давление падает и рабочий поршень 1 передвигается под действием маховика. Далее цикл повторяется. Соединение вытеснительной камеры 4 с рабочим цилиндром 2 осуществляется следующим способом: вытеснительная камера 4 вращается на вставленной в нее соеденительной трубке 13, которая соединена и с рабочим цилиндром 2. Для нагрева полости горячей зоны 5 вытеснительной камеры 4 в ней закреплен медный стержень 16, который вращается в расположенной рядом с ней камере сгорания 8. В вытеснительной камере 4 на медном стержне 16 закреплена медная пластина 17.
Двигатель отличает простота конструкции, высокая надежность, безопасность и экономичность, неприхотливость в эксплуатации, большой механический ресурс. Полезная модель позволяет обеспечить компактность энергетической установки, ее эффективность, надежность функционирования и экономичность.