ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к тепловым двигателям, работающим по циклу Стирлинга, и может быть использована в автомобилях, самоходных машинах, судах, авиации, космических и стационарных установках, работающих на твердом, жидком, газообразном ядерном топливе или другом источнике разницы температур, а так же в холодильных и криогенных установках и в качестве теплового насоса.
Известен двигатель Стирлинга, (см. книга Г.Уокер «Двигатели Стирлинга», М. Машиностроение, 1985, стр.85), который содержит, по крайней мере, один цилиндр, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на горячую и холодную полости, охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости. Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа. Недостатком прототипа является низкая приемистость двигателя. Решаемой задачей полезной модели является создание двигателя Стирлинга с регулируемой мощностью.
Достигаемым техническим результатом является достижение приемистости работы двигателя, превышающее показатели двигателей внутреннего сгорания.
Для достижения технического результата в двигателе Стирлинга, содержащем, по крайней мере, один цилиндр, в котором установлены вытеснительный и рабочий поршни, разделяющие его объем на горячую и холодную полости и соединяющие их последовательно установленные в цилиндре нагреватель, регенератор и охладитель, при этом шток рабочего поршня соединен с исполнительным механизмом, новым является то, что дополнительно введены датчики положений вытеснительного и рабочего поршней, соединенные соответственно со своими поршнями, пульт управления мощностью двигателя, пульт управления режимом работы двигателя, механизм привода вытеснительного поршня и его блок управления, первый и второй выходы которого соединены с датчиками положений вытеснительного и рабочего поршней соответственно, третий выход соединен с механизмом привода вытеснительного поршня, четвертый выход - с пультом управления мощностью двигателя, а пятый выход - с пультом управления режимом работы двигателя.
Введение дополнительных датчиков положений вытеснительного и рабочего поршней, пульта управления мощностью двигателя, пульта управления режимом работы двигателя, механизма привода вытеснительного поршня и его блока управления позволяет добиться высокой приемистости двигателя и его реверсивности.
Рассмотрим применение к автомобильным двигателям при разных режимах. Имеется многоцилиндровый двигатель Стирлинга с тремя и более полостями рабочих поршней и соответствующего количества вытеснителей, который будет самопускаемым и реверсивным. В качестве привода вытеснительного поршня применен электродвигатель. В блоке управления движением вытеснительного поршня заложены программы: скоростная, силовая, позиционная или комбинированная, которая выбирается с пульта управления.
При скоростном режиме пультом управления мощностью двигателя задается определенная скорость и направление вращения выходного вала двигателя, соответственно, блок управления движением вытеснительного поршня дает сигнал на изменение скорости движения вытеснительного поршня и его приводу, но ускорение (замедление) скорости движения вытеснительного поршня не должно превышать критического угла опережения движений вытеснительного и рабочих поршней, которое составляет около 90° (для каждой конструкции двигателя индивидуально), что определяется датчиками положений вытеснительного и рабочих поршней, соответственно. Блок управления движением вытеснительного поршня делает соответственно корректировку на ускорение (замедление) скорости вращения привода вытеснительного поршня.
При силовом режиме пультом управления мощностью двигателя задается определенный момент вращения выходного вала. Блок управления движением вытеснительного поршня дает сигнал на изменение угла опережения движения вытеснительного поршня его приводу, но максимальная скорость вращения выходного вала не должна превышать предельного значения, заложенного конструкцией двигателя, при этом блок управления движением вытеснительного поршня делает корректировку.
При позиционном режиме пультом управления мощностью двигателя задается необходимое количество оборотов вращения выходного вала. При этом блок управления движением вытеснительного поршня, анализируя сигналы датчиков положений вытеснительного и рабочего поршней, дает сигнал на движение вытеснительного поршня, ограничивая скорость вращения и угол опережения движения вытеснительного и рабочего поршней.
При комбинированных режимах пультом управления мощностью двигателя задается режим вращения выходного вала, используя одновременно в некоторой степени скоростной, силовой и позиционный режим работы.
На фигуре представлено заявляемое устройство. Двигатель Стирлинга содержит цилиндр 1 и 3, в котором установлены вытеснительный 4 и рабочий 2 поршни, разделяющие его объем на горячую 5 и холодную 9 полости и соединяющие их последовательно установленные в цилиндре нагреватель 6, регенератор 7 и охладитель 8, при этом шток рабочего поршня 2 соединен с исполнительным механизмом 13, механизм привода вытеснительного поршня 15, который кинематически соединен между собой и со штоком вытеснительного поршня 4, а также имеются датчик положения рабочего поршня 14, датчик положения вытеснительного поршня 16, блок управления механизмом привода вытеснительного поршня 10, пульт управления мощностью двигателя 12, пульт управления режимом работы двигателя 11.
Устройство может работать в режиме двигателя или режиме теплового насоса.
В работе устройства существует четыре последовательных такта движения поршней:
При первом такте (такте сжатия) вытеснительный поршень 4 находится в верхней мертвой точке (ВМТ), рабочий поршень 2 двигается от нижней мертвой точки (НМТ) к (ВМТ), весь объем рабочего тела сжимается в холодной полости 9, уменьшая объем рабочего тела.
Во втором такте (такте нагревания) вытеснительный поршень 4 двигается от ВМТ к НМТ, вытесняя рабочее тело из холодной полости 9 в горячую полость 5 через регенератор 7 и нагреватель 6, нагревая рабочее тело. В результате повышается давление рабочего тела.
В третьем такте (рабочий ход) в результате повышения давления рабочего тела, рабочий поршень начинает движение от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу и увеличивая объем рабочего тела.
В четвертом такте (такте охлаждения) вытеснительный поршень 4 двигается от НМТ к ВМТ, вытесняя рабочее тело, которое из горячей полости 5 переходит в холодную полость 9 через регенератор 7 и охладитель 8, охлаждая рабочее тело, в результате чего понижается давление рабочего тела.
Далее первый такт повторяется.
Если поддерживается опережение движения амплитуд вытеснительного поршня 4 от рабочего 2 на угол более 0° и менее 90° (для каждой конструкции устройства индивидуально) с помощью механизма привода вытеснительного поршня 15, блока управления вытеснительным поршнем 10, пульта управления мощностью двигателя 12, пульта управления режимом работы двигателя 11, датчиков положения рабочего 14 и вытеснительного 16 поршней, то устройство работает в режиме двигателя.
Если поддерживается отставание движения амплитуд вытеснительного поршня 4 от рабочего 2 на угол более 0° и менее 90° (для каждой конструкции устройства индивидуально), то есть последовательно такты сжатия, охлаждения, с помощью механизма привода вытеснительного поршня 15, блока управления вытеснительным поршнем 10, пульта управления мощностью двигателя 12, пульта управления режимом работы двигателя 11, датчиков положения рабочего 14 и вытеснительного 16 поршней отставание движения амплитуд вытеснительного 4 от рабочего 2 поршней угол более 0° и менее 90° (для каждой конструкции устройства индивидуально), то есть последовательно такты сжатия, охлаждения, рабочий ход, нагревания устройство работает в режиме теплового насоса.
Был изготовлен макет устройства, который подтвердил его работоспособность. На учебной модели двигателя Стирлинга была разорвана связь между вытеснительным поршнем и коленчатым валом. Возвратно-поступательное движение вытеснительного поршня производилось в ручную. В результате рабочий поршень следовал за движением руки человека, увеличивая и уменьшая обороты выходного вала в зависимости от частоты движения вытеснительного вала.