Пневматический поршневой двигатель для утилизации теплоты отработавших газов ДВС

Предложение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для получения дополнительной мощности без увеличения расхода топлива.
Известен пневматический поршневой двигатель для утилизации теплоты отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (далее по тексту ДВС) с воздушным охлаждением сжатого воздуха (Патент на полезную модель РФ №92480, МПК F02G 5/02, опубл. 20.03.10), который содержит картер и цилиндр, наружная часть которого окружена полостью с теплоаккумулирующим материалом и рубашкой для прохода отработавших газов ДВС. В цилиндре расположен поршень, соединенный с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом. В нижней части цилиндра расположены впускной и нагнетательный клапаны, в крышке цилиндра размещен выпускной клапан. Выпускной клапан соединен нагнетательным трубопроводом с ресивером, охлаждаемым воздухом. Ресивер сообщается с пневматической форсункой, расположенной в крышке цилиндра и оборудованной электромагнитным клапаном, с помощью воздухопровода.
Недостатком этого пневматического утилизационного двигателя является сложность конструкции, обусловленная наличием турбины, нагнетателя воздуха и ресивера с рубашкой для прохода охлаждающего воздуха, а также повышенные металлоемкость и стоимость пневматического утилизационного двигателя.
Данная конструкции пневматического утилизационного двигателя является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за прототип.
Техническая задача предложения направлена на повышение надежности, снижение массогабаритных характеристик пневматического утилизационного двигателя за счет упрощения конструкции.
Пневматический поршневой двигатель для утилизации теплоты отработавших газов ДВС содержит картер, цилиндр с полостью с теплоаккумулирующим материалом и рубашкой для прохода отработавших газов ДВС, поршень с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом, впускной, выпускной и нагнетательный клапаны, пневматическую форсунку с электромагнитным клапаном, трубопроводы и ресивер. На выходе нагнетательного трубопровода установлена вихревая труба с дросселем, соединенная с ресивером.
Решение поставленной задачи достигается тем, что сжатый в подпоршневой (нижней) части цилиндра и горячий воздух направляется в вихревую трубу, где разделяется на два потока: основной холодный, направляющийся в ресивер, и теплый, который выбрасываемый в атмосферу. Поскольку вихревая труба представляет собой простое и сравнительно дешевое устройство (Суслов, А.Д. Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижиков. - М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.), ее использование позволяет существенно упростить конструкцию пневматического утилизационного двигателя, обеспечить повышение его надежности, снижение его массогабаритных и стоимостных характеристик.
Анализ предлагаемого решения и известных позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности полезной модели.
Предложение поясняется рисунком, где изображено принципиальное устройство пневматического поршневого двигателя для утилизации теплоты отработавших газов ДВС.
Пневматический поршневой двигатель для утилизации теплоты отработавших газов ДВС содержит картер 1 и цилиндр 2, наружная часть которого окружена полостью 3 с теплоаккумулирующим материалом и рубашкой 4 для прохода отработавших газов ДВС. В цилиндре 2 расположен поршень 5, соединенный с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом 6. В подпоршневой (нижней) части цилиндра 2 расположены впускной клапан 7 и нагнетательный клапан 8, в крышке цилиндра размещен выпускной клапан 9. Нижняя полость цилиндра 2 через нагнетательный клапан 8, нагнетательный трубопровод 10, на выходе которого установлена вихревая труба 11, имеющая дроссель 12, соединена с ресивером 13. Ресивер 13 сообщается с пневматической форсункой 14, расположенной в крышке цилиндра 2 и оборудованной электромагнитным клапаном 15, с помощью воздухопровода 16.
Предлагаемый пневматический поршневой двигатель для утилизации теплоты отработавших газов ДВС работает следующим образом.
При перемещении поршня 5 вверх в результате возникающего в подпоршневом пространстве цилиндра 2 разрежения в него через впускной клапан 7 поступает воздух из атмосферы. После достижения поршнем 4 крайнего верхнего положения впускной клапан 7 закрывается и начинается движение поршня 5 вниз, которое сопровождается сжатием находящегося под ним воздуха. При приближении поршня 5 к крайнему нижнему положению открывается нагнетательный клапан 8 и сжатый воздух по нагнетательному трубопроводу 10 поступает в вихревую трубу 11, где он разделяется на два потока - холодный и теплый. Температура холодного и горячего потоков, а также соотношение количества воздуха в них воздуха в них устанавливаются с помощью дросселя 12. Из вихревой трубы 11 холодный поток воздуха поступает в ресивер 13, а теплый выбрасывается в атмосферу. Сжатый и холодный воздух из ресивера 13 по воздухопроводу 16 подводится к пневматической форсунке 14. В момент, когда поршень 5, за счет работы крейцкопфного кривошипно-шатунного механизма 6, приблизится к крайнему верхнему положению, электромагнитный клапан 15 открывает сопловое отверстие пневматической форсунки 14 и сжатый воздух поступает в надпоршневую (верхнюю) полость цилиндра 2.
Здесь он расширяется в условиях нагрева от теплоаккумулирующего материала, находящийся в полости 3 и получающего теплоту от отработавших газов ДВС, проходящих через рубашку 4, и совершает работу по перемещению поршня 5 вниз. Часть этой работы затрачивается на сжатие воздуха в подпоршневой полости цилиндра 2 для обеспечения реализации следующего рабочего цикла пневматического двигателя, а оставшаяся часть может быть полезно использована в результате чего общая мощность силовой установки, состоящей из двигателя внутреннего сгорания и пневматического поршневого двигателя для утилизации теплоты его отработавших газов, увеличивается без расхода дополнительного топлива.
При приближении поршня 5 к крайнему нижнему положению открывается нагнетательный клапан 8, сжатый воздух по нагнетательному трубопроводу 10 через вихревую трубу 12, разделяется на два потока, холодный поток поступает в ресивер 13 и цикл рабочий цикл повторяется.
По сравнению с прототипом в предлагаемом пневматическом поршневом двигателе для утилизации теплоты отработавших газов ДВС в связи с отсутствием газовой турбины и нагнетателя воздуха обеспечивается существенное упрощение конструкции, повышение надежности, а также снижение его массогабаритных и стоимостных характеристик, т.е. полное отсутствие недостатков, характерных для прототипа.