ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ НА ОСНОВЕ МЕХАНИЗМА ПРИВОДА ВИБРИРУЮЩЕГО ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ПАРСОНСА
EXTERNAL HEAT SUPPLY ENGINE BUILT AROUND PARSON'S OSCILLATING PISTON ENGINE DRIVE

Изобретение относится к двигателям с внешним подводом теплоты (двигателям Стирлинга) и может быть использовано в их конструкциях.
Известен двигатель с внешним подводом теплоты с ромбическим механизмом преобразования движения [1], отличающийся применением зубчатых колес для синхронизации вращения двух валов, каждый из которых может быть приводным.
Недостатком известного двигателя с внешним подводом теплоты является то, что его механизм преобразования движения не обеспечивает оптимального изменения объема горячей полости цилиндра, его термодинамический цикл не приближен к идеальному циклу Стирлинга, в котором должна быть обеспечена возможность ускорения движения вытеснительного поршня в стадиях рабочего процесса, соответствующих расширению и регенеративному возврату рабочего тела из горячей полости в холодную.
Известен двигатель с внешним подводом теплоты с механизмом преобразования движения на основе эллиптических зубчатых колес [2], обеспечивающий замедление-ускорение вытеснительного поршня в расчетные фазы движения, тем приближая закон изменения объема горячей полости цилиндра к идеальному циклу Стирлинга.
Недостаток известного двигателя с внешним подводом теплоты - сложность изготовления эллиптических зубчатых колес, их малая нагрузочная способность, шумность работы и значительные потери мощности в таком зубчатом зацеплении.
Известен двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий рычажно-кулачковый механизм преобразования движения [3], обеспечивающий движения вытеснительного поршня и изменения объема горячей полости цилиндра по закону, близкому к идеальному циклу Стирлинга, отличающийся тем, что рабочий и вытеснительный поршни соединены симметричными шатунами со штоками, которые через кривошипные шатуны вращают двухколейные валы. Двухколейные валы соединены между собой механизмом изменения фазового угла.
Недостаток известного двигателя с внешним подводом теплоты - малая надежность рычажно-кулачкового приводного механизма и его сложность из-за большого количества элементов, участвующих в преобразовании движения.
Известен четырехзвенный кулисный механизм с регулируемым передаточным отношением [4], содержащий жестко установленный в корпусе, с возможностью смещения, ползун, в оси которого вращается двойная кулиса, в пазах которой скользят и перекатываются ролики, принадлежащие кривошипам равной длины. При одинаковых расстояниях от осей кривошипов до оси ползуна вращение от одного кривошипа передается другому с постоянным передаточным отношением. Если передвинуть ползун, то при вращении ведущего кривошипа ведомый вращается с тем же, но переменным внутри периода отношением.
Известен механизм вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] - прототип, обеспечивающий вращение и вибрацию в цилиндре двух поршней-секторов. Механизм реконструирован и описан ниже.
Известна тепловая схема двигателя с внешним подводом теплоты, предложенная Робертом и Джеймсом Стирлингами в 1827 г. с рабочим и вытеснительным поршнями в разных цилиндрах [1].
Цель изобретения состоит в применении в двигателе с внешним подводом теплоты компактного, сбалансированного механизма, обеспечивающего замедление-ускорение поршня-вытеснителя в расчетные фазы движения, тем приближая закон изменения объема горячей полости цилиндра к идеальному циклу Стирлинга.
Поставленная цель достигается тем, что двигатель с внешним подводом теплоты на основе механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, содержащий рабочий поршень и поршни-вытеснители в разных цилиндрах, отличающийся тем, что выходной вал снабжен кривошипом, имеющим, посредством шатуна, шарнирную связь с рабочим поршнем, а шарнирно установленные в корпусе в одну ось, смещенную по отношению к оси выходного вала, вибрирующие втулка и вал, в нее помещенный, снабжены кривошипами, шарнирно связанными посредством шатунов с поршнями-вытеснителями, внутрицилиндровые пространства над поршнями-вытеснителями являются горячими полостями, а внутрицилиндровые пространства под поршнями-вытеснителями являются холодными полостями, в которые рабочее тело поступает из соответствующих горячих полостей, предварительно пройдя через нагреватели, регенераторы и охладители, при этом холодные полости связаны магистралями рабочего тела с соответствующими надпоршневой и подпоршневой полостями цилиндра, в котором находится рабочий поршень, причем, в двигателе обеспечено наличие фазового сдвига между рабочим поршнем и поршнями-вытеснителями.
На фиг. 1 изображена реконструированная модель известного механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5], вид сбоку.
На фиг. 2 изображен разрез А1-А1 на фиг. 1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих наименьшему углу между рычагами.
На фиг. 3 изображен разрез А2-А2 на фиг. 1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих биссектральному углу между рычагами.
На фиг. 4 изображен разрез А3-А3 на фиг. 1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих наибольшему углу между рычагами.
На фиг. 5 изображен разрез А4-А4 на фиг. 1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих совмещенному положению осей коромысла и рычагов.
На фиг. 6 изображен упрощенный вид двигателя с внешним подводом теплоты на основе механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5], общий вид.
На фиг.7 изображен разрез Б1-Б1 на фиг.6 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих нахождению в верхней мертвой точке рабочего поршня.
На фиг.8 изображен разрез В1-В1 на фиг.7.
На фиг.9 изображен разрез Б2-Б2 на фиг.6 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих нахождению в верхней мертвой точке поршня-вытеснителя, связанного через кривошип с рычагом, имеющим ось вращения в виде втулки.
На фиг.10 изображен разрез В2-В2 на фиг.9.
На фиг.11 изображен разрез Б3-Б3 на фиг.6 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих нахождению в верхней мертвой точке поршня-вытеснителя, связанного через кривошип с рычагом, имеющим ось вращения в виде вала.
На фиг.12 изображен разрез В3-В3 на фиг.11.
Известный механизм вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] содержит (см. фиг.1 - фиг.5) корпус 1, в котором установлена планка 2, в которой в оси А на валу 3 жестко установлено коромысло 4, каждое из плеч а и b которого посредством звеньев 5 и 6, имеющих плечи с и d, соединено с рычагами 7 и 8, имеющими плечи е и h. Рычаг 7, имеющий шарнир в виде втулки 9, установлен в планке 10 в ось В, смещенную на расстояние g по отношению к оси А. Рычаг 8, имеющий шарнир в виде вала 11, установлен во втулку 9 с совпадением осей втулки 9 и вала 11.
Двигатель с внешним подводом теплоты на основе механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] содержит (см. фиг.6 - фиг.12) проставку 12 между корпусом холодного цилиндра 13 и корпусом горячих цилиндров 14, в которой и в крышке корпуса 15 шарнирно в ось А установлен выходной вал 16 с маховиком 17, имеющий посредством кривошипа 18 и шатуна 19 шарнирную связь со штоком рабочего поршня 20, помещенного в холодный цилиндр 21, установленный в корпусе холодного цилиндра 13. На штоке рабочего поршня 20 закреплен направляющий элемент прямолинейного движения 22, взаимодействующий с внутренней поверхностью холодного цилиндра 21 в нижней его части.
Внутрь коренной шейки выходного вала 16 со стороны корпуса горячих цилиндров 14 в ось А жестко установлено коромысло 23, исполненное в виде диска с функцией маховика. Коромысло 23 посредством уравновешенных звеньев 24 и 25 соединено с уравновешенными рычагами 26 и 27. Рычаг 26 имеет шарнир в виде втулки, в которую шарнирно помещен рычаг 27, имеющий шарнир в виде вала. Общей осью рычаги шарнирно установлены в корпус рычагов 28 в ось В, в котором ось рычагов В имеет расчетное смещение g по отношению к оси А выходного вала 16. Корпус рычагов 28 соединен с корпусом горячих цилиндров 14, в который установлены горячие цилиндры 29 и 30 с помещенными в них поршнями-вытеснителями 31 и 32, имеющими по штокам направляющие элементы прямолинейного движения 33, взаимодействующие с внутренними поверхностями цилиндров в нижней их части. Поршни-вытеснители 31 и 32 своими штоками посредством шатунов 34 и 35 шарнирно связаны с кривошипами рычагов 36 и 37, закрепленными на них механически или изготовленными с ними как одно целое под расчетным углом, обеспечивающим движения поршней-вытеснителей 31, 32 и изменения объемов горячих полостей цилиндров 29 и 30 по оптимальному закону, приближающему термодинамический цикл к идеальному циклу Стирлинга. Двигатель с внешним подводом теплоты на основе механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] также содержит элементы системы теплообмена в графических материалах, не показанные: нагреватель, охладитель, регенератор, магистрали коммуникации рабочего тела.
Указаны стрелками и обозначены:
k и l - надпоршневая и подпоршневая полости холодного цилиндра;
m и n, p и r - надпоршневые и подпоршневые полости горячих цилиндров.
Известный механизм вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] работает следующим образом (см. фиг.1 - фиг.5).
В корпусе 1 на планке 2 жестко установленное на валу 3 коромысло 4, вращаясь в оси А посредством звеньев 5 и 6, передает вращение рычагам 7 и 8, имеющим шарниры на планке 10 в оси B в виде втулки 9 и вала 11.
На фиг.2 изображен разрез А1-А1 на фиг.1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих наименьшему углу между рычагами. При вращении коромысла 4 по направлению стрелки рычаг 7, замедляя движение, а рычаг 8, ускоряя движение, займут положение, изображенное на фиг.3. В этом положении элементов механизма угловые скорости коромысла 4 и рычагов 7 и 8 равны. При дальнейшем вращении коромысла 4 по направлению стрелки рычаг 7, ускоряя движение, а рычаг 8, замедляя движение, займут положение, изображенное на фиг.4. В этом положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса угловая скорость рычага 7 наибольшая, а угловая скорость рычага 8 наименьшая. Коромысло 4 по отношению к положению, изображенному на фиг.2, повернуто на 180 градусов. Угол между рычагами в этом положении наибольший. При дальнейшем вращении коромысла 4 по направлению стрелки рычаги 7, 8 и само коромысло 4, займут положение, изображенное на фиг.2, совершив полный оборот.
На фиг.5 изображен разрез А4-А4 на фиг.1 в положении элементов механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса, отвечающих совмещенному положению осей А и В коромысла 4 и рычагов 7 и 8. В этом положении осей А и В вращение от коромысла 4 рычагам 7 и 8 передается с постоянным передаточным отношением, равным единице.
Размеры плеч рычагов 7 и 8, коромысла 4, звеньев 5 и 6 и смещение общей оси В рычагов 5 и 6 по отношению к оси А коромысла 4 определяют характер движения рычагов 7 и 8 и, как следствие, - передаточное отношение их скоростей к скорости коромысла 4 внутри периода вращения.
Двигатель с внешним подводом теплоты на основе механизма вибрирующего поршневого двигателя Парсонса [5] работает следующим образом.
Внутрицилиндровые пространства m и p над поршнями-вытеснителями 31 и 32 являются горячими полостями, в которые рабочее тело поступает нагретым из специальных теплообменных аппаратов (в графических материалах не показаны). Внутрицилиндровые пространства n и r под поршнями-вытеснителями 31 и 32 являются холодными полостями, в которые рабочее тело поступает из соответствующих горячих полостей, предварительно пройдя через нагреватели, регенераторы и охладители (в графических материалах не показаны). Таким образом, движение поршней-вытеснителей 31 и 32 обеспечивает перераспределение рабочего тела в цилиндрах 29 и 30 между горячими и холодными полостями.
Дополнительно холодные полости n и r цилиндров 29 и 30 связаны магистралями рабочего тела с соответствующими k и l полостями холодного цилиндра 21, в котором находится рабочий поршень 20. Взаимное расположение рычагов с кривошипами 36 и 37 по отношению к кривошипу 18 обеспечивает наличие фазового сдвига между рабочим поршнем 20 и поршнями-вытеснителями 31 и 32. Причем, вследствие зеркальной симметрии в движении поршней-вытеснителей, фазовый сдвиг рабочих процессов в цилиндрах 29 и 30 составляет 180 градусов.
При положении поршня-вытеснителя 31 вблизи верхней мертвой точки рабочее тело в цилиндре 29 сосредоточено, в основном, в холодной полости. При этом движением рабочего поршня 20 обеспечивается сжатие холодного рабочего тела. Одновременно в цилиндре 30 поршень-вытеснитель 32 находится вблизи нижней мертвой точки, рабочее тело в этом цилиндре сосредоточено, в основном, в горячей полости. Соответственно, движение рабочего поршня 20 обеспечивает в этом цилиндре расширение горячего рабочего тела. Таким образом, обеспечивается протекание рабочего процесса по принципу двигателя Стирлинга.
Наличие механизма, обеспечивающего ускорение и замедление вращения рычагов 36 и 37 относительно кривошипа 18, обеспечивает возможность ускорения движения поршней-вытеснителей 31 и 32 в стадиях рабочего процесса, соответствующих расширению и регенеративному возврату рабочего тела из горячей полости в холодную, тем самым приближая рабочий процесс к идеальному циклу Стирлинга.
Источники информации
1. Г. Уокер. Двигатели Стирлинга. Пер. с англ. - М. Машиностроение, 1985, стр.84-87, 234, 235.
2. Патент Украины без экспертизы по существу 12513А. - Привод двигателя с внешним подводом теплоты, опубл. 28.02.1997, бюл. №1.
3. Патент Украины на полезную модель UA 34284. - Механизм привода двигателя внешнего сгорания (Стирлинга), опубл. 11.08.2008, бюл. №15.
4. И.И. Артоболевский, "Механизмы в современной технике" в 7 томах, Москва, "Наука", 1979, стр.49, механизм 936.
5. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/vibratory/vibrate.htm Parson's Engine ANIMATED