ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ
EXTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области силовых установок и двигателей объемного вытеснения, в частности к двигателям внешнего сгорания, работающим по принципу преобразования объемного расширения и сжатия рабочего тела (жидкости или газа) в механическое движение.
Известен двигатель Стирлинга - преобразователь энергии прямого цикла с внешним подводом теплоты, включающий камеру сгорания и холодильник [Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. - М.: Мир, 1986, стр. 55].
Недостатком этого двигателя является относительно низкий кпд.
Известно также устройство, включающее преобразователь прямого цикла (двигатель) с электрогенератором на одном валу, линию подачи топлива, теплообменник - утилизатор тепла высокотемпературных отработанных газов двигателя, через который проходит магистраль отработанных газов двигателя, систему охлаждения двигателя, связанную через теплообменник с системой внешнего теплоснабжения, а также снабжено в качестве преобразователя прямого цикла двигателем Стирлинга, теплообменником-утилизатором высокотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга, выполненным в виде парогенератора, пароводяным насосом - подогревателем, теплообменником - утилизатором низкотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга, теплообменником-охладителем, а также магистралью водопровода с регулирующим клапаном, разделяющуюся на линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник-охладитель в парогенератор, и линию с регулирующим клапаном, проходящую через теплообменник- утилизатор низкотемпературных отработанных газов двигателя Стирлинга в пароводяной насос-подогреватель, магистралью пара высокого давления, идущей от парогенератора к пароводяному насосу-подогревателю, и магистралью системы горячего водоснабжения, идущей от пароводяного насоса-подогревателя, при этом магистраль отработанных газов двигателя Стирлинга последовательно проходит сначала через парогенератор, а затем через теплообменник-утилизатор низкотемпературных отработанных газов [RU (11) 2187680 (13) С1 (51) МПК 7 F02G1/04, B63G8/36, 2002].
Недостатком устройства также является относительно низкий кпд.
Кроме того, известен двигатель внешнего нагревания (альфа- модификация двигателя Стирлинга), содержащий коленчатый вал горячей группы и коленчатый вал холодной группы, группу горячих цилиндров с поршнями и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с одной стороны с горячими поршнями, а с другой стороны - с коленчатым валом горячей группы, группу холодных цилиндров с поршнями и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с одной стороны с холодными поршнями, с другой стороны - с коленчатым валом холодной группы, группу трубок, соединяющих попарно холодные и горячие цилиндры и содержащих устройство регенерации тепла, трансмиссию, соединяющую коленчатый вал горячей группы с коленчатым валом холодной группы, камеру сгорания, компрессор подачи воздуха в камеру сгорания и теплообменник [Двигатель шотландского пастора. «Двигатель», № 5, 2005. www. engine. aviaport. ru/issues /3 9/ page 26. html].
Недостатком этого двигателя также является относительно низкий кпд.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двигатель внешнего нагревания, содержащий коленчатый вал горячей группы и коленчатый вал холодной группы, группу горячих цилиндров с поршнями и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с одной стороны с горячими поршнями, а с другой стороны - с коленчатым валом горячей группы, группу холодных цилиндров с поршнями и соответствующую ему группу шатунов, соединенных с одной стороны с холодными поршнями, с другой стороны - с коленчатым валом холодной группы, группу трубок, соединяющих попарно холодные и горячие цилиндры и содержащих устройство регенерации тепла, трансмиссию, соединяющую коленчатый вал горячей группы с коленчатым валом холодной группы, камеру сгорания, компрессор подачи воздуха в камеру сгорания и теплообменник, топливный насос, при этом размеры горячих цилиндров группы и холодных цилиндров группы выбираются из заданного соотношения [RU 2332582 С1, F 02 G 1/043, 27.08.2008].
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно высокая сложность и относительно низкий кпд, вызванные наличием элементов с высокими потерями энергии - это, по крайней мере, двух цилиндров с поршнями - горячего и холодного, устройства регенерации тепла, шатунов и коленчатого вала.
Требуемый технический результат заключается в упрощении устройства и повышении кпд.
Требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее первый теплообменник, введены второй теплообменник, первый клапан теплоносителя с входами подачи горячего и холодного теплоносителей, второй клапан теплоносителя с входами подачи горячего и холодного теплоносителей, первый и второй механизмы преобразования энергии жидкости в механическую энергию, первый, второй, третий и четвертый клапаны рабочего тела, трубопровод подачи рабочего тела из первого теплообменника, трубопровод подачи рабочего тела из второго теплообменника, емкость с рабочим телом, а также трубопроводы первого и второго теплообменников, размещенные соответственно в первом и втором теплообменниках, при этом выходы первого и второго клапанов теплоносителей соединены со входами соответственно первого и второго теплообменников, трубопровод первого теплообменника через трубопровод подачи рабочего тела из первого теплообменника и через первый и второй клапаны рабочего тела соединен соответственно с первым и вторым механизмами преобразования энергии жидкости в механическую энергию, соединенными с емкостью с рабочим телом, а трубопровод второго теплообменника через трубопровод подачи рабочего тела из второго теплообменника и через четвертый и третий клапаны рабочего тела соединен соответственно с первым и вторым механизмами преобразования энергии жидкости в механическую энергию.
На чертеже представлена конструкция двигателя внешнего сгорания.
На чертеже обозначены: трубопровод 1 первого теплообменника, рабочее тело 2 (преимущественно жидкость), первый клапан 3 теплоносителя, вход 4 подачи горячего теплоносителя первого клапана теплоносителя, вход 5 подачи холодного теплоносителя первого клапана теплоносителя, первый теплоноситель 6, трубопровод 7 второго теплоносителя, емкость 8 с рабочим телом, трубопровод 9 подачи рабочего тела из первого теплообменника, первый 10 и второй 11 механизмы преобразования энергии жидкости в механическую энергию, первый клапан 12 рабочего тела, второй клапан 13 рабочего тела, второй клапан 14 теплоносителя, вход 15 подачи горячего теплоносителя второго клапана теплоносителя, вход 16 подачи холодного теплоносителя второго клапана теплоносителя, второй теплообменник 17, трубопровод 18 подачи рабочего тела из второго теплообменника, третий клапан 19 рабочего тела, четвертый клапан 20 рабочего тела.
В двигателе внешнего сгорания трубопроводы 1 и 7 первого и второго теплообменников размещены соответственно в первом 6 и втором 17 теплообменниках, выходы первого 3 и второго 14 клапанов теплоносителей соединены со входами соответственно первого 6 и второго 17 теплообменников, трубопровод 1 первого теплообменника через трубопровод 9 подачи рабочего тела из первого теплообменника и через первый 12 и второй 13 клапаны рабочего тела соединен соответственно с первым 10 и  вторым 11 механизмами преобразования энергии жидкости в механическую энергию, соединенными с емкостью 8 с рабочим телом, а трубопровод 7 второго теплообменника через трубопровод 18 подачи рабочего тела из второго теплообменника и через четвертый 20 и третий 19 клапаны рабочего тела соединен соответственно с первым 10 и вторым 11 механизмами преобразования энергии жидкости в механическую энергию.
В случае работы двигателя внешнего сгорания при невысоких давлениях и высоких расходах рабочего тела в качестве первого 10 и второго 11 механизмов преобразования энергии жидкости в механическую энергию целесообразно использовать гидротурбины, а в условиях относительно низких расходов рабочего тела и высоких давлений - гидромоторы.
Работает двигатель внешнего сгорания следующим образом.
Основная идея предложенного технического решения заключается в попеременной подаче тепла и холода теплоносителем в теплообменники. Теплообменники выполнены отдельно от механизмов, преобразующих давление расширяющегося или сжимающегося рабочего тела (жидкости, газа) во вращательное механическое движение. Подача теплоносителя может быть осуществлена как принудительно, так и с использованием конвекции.
Преобразование энергии производится с помощью первого 10 и второго 11 механизмов преобразования энергии жидкости в механическую энергию. Конструкция первого 6 и второго 17 теплообменников предполагает, что рабочее тело 2 находится внутри трубопроводов 1 и 7 соответственно и их попеременно обтекает горячий и холодный теплоноситель, подачу которого регулируют соответственно первый 3 и второй 14 клапаны теплоносителя, источник которого вынесен за пределы теплообменников. Управление первым 3 и вторым 14 клапанами теплоносителя осуществляется, в частности, электронным устройством (на чертеже не показан). Подача теплоносителя может быть как принудительной, так и с помощью конвекции. Пуск (остановка) двигателя внешнего сгорания и управление режимами работы осуществляются уменьшением (увеличением) подачи теплоносителя.
При поступлении горячего теплоносителя через вход 4 первого клапана 3 нагревается рабочее тело, находящееся в трубопроводе 1 первого теплообменника 6. Расширяющееся рабочее тело через трубопровод 9 и первый клапан 12 поступает на первый механизм 10 преобразования энергии жидкости в механическую энергию. Отработавшее в первом механизме 10 преобразования энергии жидкости в механическую энергию рабочее тело поступает в емкость 8. Переключение первого клапана 3 происходит при уменьшении разницы температур между теплоносителем и рабочим телом до заданной величины. После переключения первого клапана 3 начинается охлаждение рабочего тела теплоносителем. В связи с охлаждением рабочего тела оно сжимается, что приводит к работе второго механизма 11 преобразования энергии жидкости в механическую энергию. Охлаждение рабочего тела продолжается до тех пор, пока разница температур не достигнет заданной величины.
Работа второго теплообменника 17 происходит в противофазе. При поступлении горячего теплоносителя через вход 15 подачи горячего теплоносителя он нагревает стенки трубопровода 7 второго теплоносителя, которые отдают тепло находящемуся в нем рабочему телу. Расширяющееся рабочее тело через трубопровод 18 подачи рабочего тела из второго теплообменника и четвертый клапан 20 поступает на первый механизм 10. Отработавшее в первом механизме 10 преобразования энергии жидкости в механическую энергию рабочее тело поступает в емкость 8. Переключение клапана второго клапана 14 теплоносителя происходит при уменьшении разницы температур между теплоносителем и рабочим телом до заданной величины. После переключения второго клапана 14 теплоносителя начинается охлаждение трубопровода 7 второго теплообменника. В связи с охлаждением рабочего тела оно сжимается, что приводит к работе второго механизма 11 преобразования энергии жидкости в механическую энергию. Охлаждение рабочего тела продолжается до тех пор, пока разница температур не достигнет заданной величины. Работа нескольких параллельно подключенных теплообменников на первый 10 и второй 11 механизмы преобразования энергии жидкости в механическую энергию позволяет обеспечить их более равномерное вращение.
Таким образом, благодаря исключению конструктивно сложных узлов, при работе которых теряется большое количество энергии, это, по крайней мере, двух цилиндров с поршнями - горячего и холодного, устройства регенерации тепла, шатунов и коленчатого вала, достигается требуемый технический результат, заключающийся в упрощении устройства и повышении кпд.