ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С РАЗДЕЛЕННЫМИ ПРОЦЕССАМИ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ

Предложение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может быть использовано для повышения эффективности преобразования термохимической энергии сжигаемого топлива в механическую работу.
Известны теплоэнергетические установки с разделенными процессами сжатия и расширения. Известна теплоэнергетическая установка с разделенными процессами сжатия и расширения (Сухов А. Выхлоп чище воздуха // За рулем. - 2001. №4.), которая содержит два цилиндра разного диаметра с клапанами. Эти цилиндры расположены V-образно и соединены каналами со сферической камерой, находящейся между ними и имеющей впускной и выпускной клапаны. Когда поршень в малом цилиндре движется вниз, в надпоршневое пространство засасывая наружный воздух. Затем, при движении вверх, поршень сжимает воздух (впускной клапан цилиндра закрыт, впускной клапан сферической камеры открыт, выпускной - закрыт). В конце такта сжатия давление поднимается до 20 бар. Впускной клапан сферической камеры закрывается, а в камеру подается топливо. Затем, выпускной клапан сферической камеры открывается, и продукты сгорания направляются в большой
цилиндр, где происходит расширение. После расширения открывается выпускной клапан большого цилиндра, и отработавшие газы выходят в атмосферу.
Недостатками описанной конструкции являются:
1. Невозможность полного расширения (до атмосферного давления) продуктов сгорания в большом цилиндре, так как поршни и большого и малого цилиндра с помощью шатунов соединены с общим кривошипом.
2. Расходование части энергии, произведенной при расширении в большом цилиндре, на сжатие воздуха в малом цилиндре.
Известна также теплоэнергетическая силовая установка с разделенными процессами сжатия и расширения (Теплоэнергетическая установка с разделенными процессами сжатия и расширения: Патент на полезную модель RU 56968 U1 F02B 41/02; опуб. 27.09.2006 Бюл. №27).
Она содержит: рабочий цилиндр с электрической обмоткой на наружной поверхности и поршнем-якорем внутри; по два впускных и выхлопных клапана, выпускных патрубков и впускных воздухопроводов, форсунок с электрическим приводом; топливный бак с двумя топливопроводами; двигатель Стирлинга с полостью для прохода отработавших газов с двумя клапанами; компрессор, соединенный трубопроводом с ресивером.
Недостатками описанной конструкции является:
1. Высокая теплонапряженность поршня, по причине конструктивной сложности организации охлаждения рабочего цилиндра, так как он выполнен с электрической обмоткой на наружной поверхности, которая, для обеспечения высокого КПД, должна располагаться как можно ближе к поршню-якорю. Также высокая теплонапряженность поршня-якоря обусловлена тем, что процесс сгорания происходит попеременно то с одной, то с другой его стороны. Это со временем приводит к потере магнитных свойств у металла, из которого выполнен поршень-якорь, в результате чего теплоэнергетическая силовая установка теряет свою работоспособность.
2. Сложность (в связи с высокой температурой) обеспечения надежной смазки пары трения рабочий цилиндр - поршень-якорь, что ведет к ее быстрому износу.
3. Необходимость охлаждения электрической обмотки, расположенной непосредственно на наружной поверхности цилиндра, так как нагрев обмотки свыше 80°С ведет к нарушению изоляции и, как следствие, - межвитковому замыканию.
Данная конструкция двигателя является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за прототип.
Для исключения недостатков прототипа предлагается конструктивно разделить узлы теплоэнергетической силовой установки, в которых происходит сгорание топлива и выработка электроэнергии, а также оборудовать цилиндры рубашкой охлаждения. Предложение поясняется рисунком (фиг.1).
Предлагаемая теплоэнергетическая установка с разделенными процессами сжатия и расширения содержит: два цилиндра 1, оборудованные рубашками для прохода охлаждающей жидкости 2, с поршнями 3, впускными 4, 5 и выхлопными 6, 7 клапанами, выпускными патрубками 8, 9, выпускными клапанами 10, 11, впускными воздухопроводами 12, 13, форсунками 14, 15 с электрическим приводом; топливный бак 16; двигатель Стирлинга 17; компрессор 18, соединенный трубопроводом 19 с ресивером 20, обмотку возбуждения 21 и шток-якорь 22.
Предлагаемая теплоэнергетическая установка с разделенными процессами сжатия и расширения работает следующим образом.
При движении поршней 3, соединенных штоком-якорем 22, вправо и приближении их к крайнему правому положению, отработавшие газы из правой полости, образуемой стенками правого рабочего цилиндра 1, его крышкой и днищем правого поршня 3, через открытый выхлопной клапан 7 по выпускному патрубку 9 поступают в полость, окружающую нагреватель двигателя Стирлинга 17, нагревают рабочее тело
двигателя Стирлинга 17 и приводят его в действие. Пройдя полость, отработавшие газы выходят в атмосферу через открытый выпускной клапан 10. Мощность, вырабатываемая двигателем Стирлинга, используется для сжатия воздуха в компрессоре 18. Сжатый и нагретый вследствие этого воздух по трубопроводу 19 подается в ресивер 20, откуда по воздухопроводу 13 через впускной клапан 5 поступает в правую полость, образуемую днищем правого поршня 3, стенками правого рабочего цилиндра 1 и его крышкой. В то же время в эту полость через форсунку 5 впрыскивается топливо, поступающее из топливного бака 16. Поступившее в цилиндр топливо попадает в сжатый и горячий воздух, воспламеняется и происходит расширение продуктов сгорания и поршни 3, соединенные штоком-якорем 22 перемещаются влево. В это время из левой полости рабочего цилиндра, образуемой днищем левого поршня 3, стенками левого рабочего цилиндра 1 и его крышкой, через открытый выхлопной клапан 6 по выпускному патрубку 8 отработавшие газы, образовавшиеся в предыдущем цикле, начинают поступать в полость, окружающую нагреватель двигателя Стирлинга 17. В этот момент выпускной клапан 10 закрывается, а выпускной клапан 11 открывается и отработавшие газы, проходя через полость, окружающую нагреватель двигателя Стирлинга 17, нагревают рабочее тело двигателя Стирлинга 17, обеспечивая его работу, и выходят через выпускной клапан
11 в атмосферу. Двигатель Стирлинга 17 продолжает приводить в действие компрессор 18. В момент приближения левого поршня 3 к крышке левого рабочего цилиндра 1 открывается впускной клапан 4, через который по воздухопроводу 12 сжатый горячий воздух из ресивера 20 поступает в левую полость, образуемую левым поршнем 3, стенками левого рабочего цилиндра 1 и его крышкой. В то же время в эту полость через форсунку 14 впрыскивается топливо, поступающее из топливного бака 16. Поступившее в цилиндр топливо попадает в сжатый и горячий воздух, воспламеняется, происходит расширение продуктов сгорания и поршни 3, соединенные штоком-якорем 22, перемещается вправо, после чего описанный рабочий цикл повторяется. Возвратно-поступательное движение поршней 3, соединенных штоком-якорем 22 внутри рабочих цилиндров 1 происходит одновременно и внутри электрической обмотки 21, расположенной над соединительным штоком-якорем 22.
В результате этого, при помощи установленного на штоке-якоре 22 постоянного магнита в электрической обмотке 21 наводится электродвижущая сила (электрический ток), который направляется к потребителю энергии. Цилиндры силовой установки во время ее работы охлаждаются жидкостью, проходящей по рубашке охлаждения 2.
По сравнению с прототипом в предлагаемой теплоэнергетической силовой установке:
- уменьшена теплонапряженность поршня, а также исключен нагрев обмотки возбуждения, свыше 80°С, путем переноса обмотки возбуждения с наружной поверхности рабочего цилиндра в место между рабочими цилиндрами;
- обеспечена надежная смазка пары трения рабочий цилиндр - поршень в связи с понижением рабочей температуры цилиндра, путем организации рубашки охлаждения для прохода охлаждающей жидкости, омывающей непосредственно наружную поверхность цилиндра;
- исключена потеря магнитных свойств поршнем-якорем за счет переноса якоря из рабочего цилиндра на шток, соединяющий поршни рабочих цилиндров.
Анализ предлагаемого решения и известных позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности полезной модели.