Двигатель с внешним подводом теплоты

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель содержит рабочие цилиндры с поршнями, коаксиально расположенные снаружи свободные цилиндры, кривошипно-шатунный механизм, регенераторы и теплообменники, к которым подключен внешний источник теплоты. Внутренняя полость рабочих цилиндров герметично отделена от свободных цилиндров и механизма отбора мощности, а поршни и свободные цилиндры взаимосвязаны магнитными связующими устройствами. Вилкообразные шатуны, соединяющие свободные цилиндры с коленвалом, снабжены двухшарнирными звеньями, оси которых перпендикулярны оси вала. Двигатель работает по циклу, максимально приближенному к идеальному циклу Стирлинга. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Заявляемое техническое решение относится к машиностроению, а именно к области двигателестроения, и может быть использовано при создании газовых поршневых двигателей с внешним подводом теплоты и отбором мощности, например, через кривошипно-шатунный механизм.

Широко известны двигатели с внешним подводом теплоты (двигатели Стирлинга) машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, у которых циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.

Известны двигатели с внешним подводом теплоты (а.с. СССР N 855241, МКИ F02C1/04, пат. Великобритании N 777931, НКИ 7(1)С), содержащие корпус, по меньшей мере одну пару цилиндров, в каждом из которых внутренняя полость разделена поршнем на две заполненные рабочим телом камеры, сообщенные с соответствующими камерами соседнего цилиндра через регенератор, и источник подвода тепла. Эти двигатели имеют низкую экономичность при ограниченных объемах камер за счет сравнительно больших сил трения и ухудшения условий теплообмена между внешним теплоносителем и рабочим телом.

Известны силовые установки с двигателем Стирлинга (а.с. СССР N 1048150, 1270395, МКИ F02C1/04), снабженные по меньшей мере одной парой цилиндров, сообщенных между собой газовой связью через теплообменные аппараты, и рабочими поршнями, смещенными по фазе и связанными с механизмом отбора мощности. Такие двигатели обладают повышенным КПД и простой системой регулирования мощности. В то же время этим двигателям присущи недостатки, обусловленные связью с механизмом привода и необходимостью надежного уплотнения рабочего тела по поверхности вращающегося вала и штока поршня. Эти недостатки устранимы, однако применяемые для этого меры неизбежно приводят к усложнению конструкции уплотнительных элементов (см. например, а.с СССР N 1273624, заявку ФРГ N 1428009, Пат. США N 3828558, МКИ F02C1/04).

Известны свободнопоршневые двигатели вытеснительного типа, содержащие корпус, рабочие цилиндры, свободные поршни и кривошипно-шатунный механизм. [1]> Характерный особенностью свободно-поршневых двигателей является тот факт, что свободные поршни в процессе работы смещаются от своих положений в направлении общей рабочей полости. При этом движение поршней прекращается на некотором расстоянии от нагреваемого торца двигателя. Попытка использовать механические упругие элементы, например, пружины для удержания поршней в их рабочих положениях, не приводит к положительным результатам, так как пружины вызывают беспорядочные с большой амплитудой перемещения поршней в направлениях, противоположных заданным.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является техническое решение по патенту СССР N 1403992, принятое за прототип [2] Двигатель с внешним подводом теплоты, согласно прототипу, содержит герметичный корпус, установленные в нем с возможностью линейных перемещений вытеснительн6ый и рабочий поршни, связанные между собой и разделяющие объем корпуса на горячую, заключенную между корпусом и вытеснительным поршнем, и холодную, заключенную между поршнями, полости, подключенные одна к другой через охладитель, регенератор и нагреватель, к которому подключен внешний источник теплоты.

Данный двигатель отличается от других аналогов тем, что в нем связь между поршнями выполнена в виде магнитных или намагничивающихся связывающих устройств, установленных на поршнях и снаружи корпуса с возможностью их линейного перемещения. Благодаря этому двигатель обладает повышенным КПД.

Вместе с тем, двигатель, предложенный по прототипу, не обеспечивает получение максимально достижимого КПД термодинамического цикла и недостаточно надежен. Так неизбежна перетечка рабочего тела через уплотнения штоков поршней и подпоршневую полость, где размещены внутренние связывающие магнитные устройства, что приводит к потере мощности из-за того, что поршни при движении вниз встречают все возрастающее давление накапливающегося в подпоршневой полости рабочего тела.

Кроме того, обеспечение вращательно-поступательного движения поршней путем установки ролико-кулачкового механизма для уменьшения выдавливания смазки также приводит к снижению КПД из-за трения в кулачковой паре и увеличению суммарного вращательно-поступательного пути поршней в цилиндрах.

Более того, при выполнении внутренними связывающими магнитными устройствами, расположенными внутри корпуса, вращательного движения относительно внешних, установленных снаружи корпуса, приводит к смещению магнитного потока с полюсов магнитов и к ослаблению сил магнитного притяжения, что снижает эффективность магнитной смазки между поршнями и, в конечном итоге, уменьшает КПД двигателя.

Заявляемый двигатель с внешним подводом теплоты содержит подвижные цилиндры, кинематически связанные с валом отбора мощности, рабочие цилиндры, внутри которых размещены поршни, связанные с подвижными цилиндрами магнитными связывающими устройствами и образующие рабочие полости, соединенные между собой через регенераторы и теплообменники, к которым подключен внешний источник теплоты.

Заявляемый двигатель с внешним подводом теплоты отличается от аналогов тем, что в нем подвижные цилиндры выполнены из магнитного или намагничивающегося материала и размещены коаксиально снаружи рабочих цилиндров, выполненных из немагнитных материалов, с возможностью линейного перемещения вдоль них, а поршни снабжены обтюраторными поясками-магнитопроводами и размещены в полостях рабочих цилиндров, герметично отделенных от подвижных цилиндров и механизма отбора мощности, с возможностью линейного перемещения вдоль рабочих цилиндров, причем ход подвижных цилиндров больше хода поршней на величину не менее ширины обтюраторных поясков-магнитопроводов поршней.

Совокупность перечисленных существенных признаков обеспечивает получение максимально достижимого термодинамического КПД цикла Стирлинга и повышение надежности заявленного двигателя во всех случаях его выполнения, так как решает основную задачу заявленного изобретения герметичное разделение внутренней полости рабочих цилиндров от полости механизма отбора мощности двигателя.

Герметичное разделение внутренней полости рабочих цилиндров от полости механизма отбора мощности, согласно заявленному техническому решению, исключает потери мощности, обычно связанные с утечкой рабочего тела из полости рабочих цилиндров, например, по штоку поршня, и потери мощности, затрачиваемой на преодоление сил трения в узлах уплотнения по штоку поршней. Таким образом обеспечивается повышение термодинамического и механического КПД заявляемого двигателя. Кроме того, превышение хода подвижных цилиндров относительно хода соответствующих им поршней обеспечивает прерывистое движение поршней и сдвиг фаз между связывающими устройствами поршней и соответствующих им подвижных цилиндров, необходимые для максимально возможного приближения термодинамического цикла двигателя к идеальному циклу Стерлинга и для перехода при завершении предыдущего цикла в рабочем цилиндре к началу последующего цикла в нем.

Заправляемый двигатель с внешним подводом теплоты отличается также тем, что подвижные цилиндры на внутренней поверхности снабжены обтюраторными поясками магнитопроводами, ширина которых равна ширине соответствующих им обтюраторных поясков магнитопроводов поршней, и роликами, выступающими над поверхностью обтюраторных поясков магнитопроводов, при этом ролики выполнены с вогнутой образующей, радиус которой равен радиусу наружной поверхности рабочих цилиндров. Благодаря этому уменьшаются потери мощности на продолжение сил трения при линейном перемещении подвижных цилиндров относительно рабочих цилиндров, а также исключаются перекос и заклинивание цилиндров от усилий взаимодействия с механизмом отбора мощности.

Заявляемый двигатель с внешним подводом теплоты отличается также тем, что поршни по наружной поверхности снабжены роликами, выступающими над поверхностью обтюраторных поясков магнитопроводов, при этом ролики выполнены с выпуклой образующей, радиус которой равен радиусу внутренней поверхности рабочих цилиндров, и на поверхности обтюраторных поясков магнитопроводов поршней выполнены кольцевые канавки, в которых размещены уплотнительные элементы. Такое выполнение поршней уменьшает потери мощности на преодоление сил трения при линейном перемещении поршней относительно рабочих цилиндров, исключаются перекос и заклинивание поршней в рабочих цилиндрах, а также уменьшаются перетечки рабочего тела из надпоршневой полости в подпоршневую и обратно при перемещениях поршней в цилиндрах.

Поршни по наружной поверхности, а подвижные цилиндры по внутренней поверхности могут быть снабжены ползунами вместо роликов, упруго прижатыми и скользящими по поверхности рабочих цилиндров при перемещениях поршней и подвижных цилиндров.

Заявляемый двигатель с внешним подводом теплоты отличается также тем, что в крышках и днищах рабочих цилиндров выполнены осевые отверстия, к которым прикреплены, например, трубные газоводы, соединяющие полости расширения и сжатия смежных цилиндров соответственно. Это позволяет поршням перемещаться внутри рабочих цилиндров от упора в крышки до упора в днища рабочих цилиндров, благодаря чему процессы сжатия и расширения в цилиндрах осуществляются полностью.

Кроме того, в заявляемом двигателе с внешним подводом теплоты механизм отбора мощности содержит шатуны, выполненные в виде вилки, раздвоенные концы которых шарнирно связаны со подвижными цилиндрами, а противоположные одинарные концы снабжены ступицами, связанными с валом отбора мощности, при этом оси шарниров параллельны оси вала отбора мощности. Одинарные концы шатунов связаны с их раздвоенными концами-вилками посредством двухшарнирных звеньев, оси которых перпендикулярны осям шарниров, соединяющих шатуны с подвижными цилиндрами, и оси вала отбора мощности.

Такое выполнение механизма отбора мощности двигателя обеспечивает превращение возвратно-поступательного движения подвижных цилиндров во вращательное движение, например, коленчатого вала отбора мощности, при этом уменьшаются перекашивающие усилия на подвижные цилиндры при маятниковых качаниях шатуна-вилки и исключается заклинивание всего механизма отбора мощности.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема двигателя; на фиг. 2 разрез А-А, на котором приведен пример конструктивного выполнения роликов подвижных цилиндров; на фиг. 3 размер Б-Б, на котором приведен пример конструктивного выполнения роликов поршней; на фиг. 4 разрез В-В, на котором приведен пример шарнирного соединения шатуна механизма отбора мощности.

Двигатель (фиг. 1) содержит рабочие цилиндры 1 с крышками 2 и днищами 3, внутри которых размещены поршни 4, разделяющие внутренний объем рабочих цилиндров 1 на надпоршневую и подпоршневую полости. Снаружи рабочих цилиндров 1 коаксиально размещены подвижные цилиндры 5. Поршни 4 на наружной поверхности, а подвижные цилиндры 5 на внутренней поверхности снабжены кольцевыми обтюраторными поясками магнитопроводами 6 и 7 соответственно, и роликами 8 и 9 соответственно (фиг. 3 и 4). Вместо роликов 8 и 9 могут быть применимы ползуны, скользящие по ответной поверхности рабочего цилиндра 1. На обтюраторных поясках магнитопроводах 6 выполнены кольцевые канавки, в которых размещены уплотнительные элементы 10, представляющие перетечки рабочего тела двигателя из надпоршневой полости в подпоршневую полость и обратно при соответствующих перемещениях поршней 4. В крышках 2 и днищах 3 рабочих цилиндров 1 выполнены осевые отверстия 11, к которым подсоединены трубные газоводы 12. Нижние торцы подвижных цилиндров 5 посредством шарниров 13 соединены с вилками шатунов 14, одинарные концы которых через ступицу 15 с отверстием соединены с коленвалом 16 отбора мощности (фиг. 4). Шатуны 14 снабжены двухшарнирными звеньями 17, оси которых перпендикулярны оси вала 16 им осям шарниров 13.

Поршни 4 и их обтюраторные пояски 6 могут быть изготовлены из магнитомягкого железа или электротехнической стали. Подвижные цилиндры 5 - изготовлены из кольцеобразного постоянного магнита или в виде электромагнитного соленоида. Рабочие цилиндры 1 и другие детали двигателя должны быть изготовлены из немагнитных материалов. На поверхностях трения ползунов нанесены антифрикционные покрытия, например, в виде полимерной композиции на основе диселенида вольфрама.

Заявляемый двигатель с внешним подводом теплоты работает по циклу, максимально приближенному к идеальному циклу Стерлинга. Полезная работа, получаемая при осуществлении цикла Стерлинга, реализуется в прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней 4 и подвижных цилиндров 5, преобразуемое шатуном 14 во вращательное движение вала 16 отбора мощности. Максимально возможное приближение к идеальному циклу Стерлинга в предлагаемом двигателе обеспечивается за счет того, что в гнем осуществлено прерывистое движение поршней 4, практически исключен мертвый объем в рабочих цилиндрах 1, а также максимально уменьшены потери при передаче работы расширения рабочего тела на вал 16 отбора мощности.

Работа, например, двухцилиндрового двигателя с противоположно расположенными поршнями, имеющими общий коленчатый вал, у которого объемы сжатия и расширения размещены в полостях над и под поршнями и связаны между собой каналом с имеющимися в нем регенератором и теплообменниками, осуществляется в соответствии с заявленным изобретением следующим образом.

В исходном положении первый поршень 4 вплотную прилегает торцем к крышке 2 первого рабочего цилиндра 1 и неподвижен. А в это время второй поршень 4 перемещается во втором рабочем цилиндре 1 сжимая рабочее тело в полости сжатия. Это возможно благодаря тому, что при движении поршней 4 мощность им, или с них передается на подвижные цилиндры 5 или с них посредством силовых магнитных линий между обтюраторными поясками-магнитопроводами 6 и 7 на поршнях 4 и подвижных цилиндрах 5 соответственно.

Поэтому, когда первый поршень 4 стоит упертым в крышку 2 первого рабочего цилиндра 1, а второй поршень 4 перемещается во втором рабочем цилиндре 1, вращая своим шатуном 14 коленчатый вал 16 отбора мощности и перемещая через первый шатун 14 первый подвижный цилиндр 5. Первый подвижный цилиндр 5, преодолевая силы магнитного притяжения к неподвижному первому поршню 4, перемещается по поверхности первого рабочего цилиндра 1 выше неподвижного поршня 4 на длину не менее ширины обтюраторного пояска-магнитопровода 6 первого поршня 4, до верхнего крайнего положения (ВМТ) первого шатуна 14. Также при неподвижном первом поршне 4 первый подвижный цилиндр 5 начинает возвратное поступательное движение и перемещается до уровня неподвижного первого поршня 4. За время, когда первый поршень 4 находится без движения в крайнем верхнем положении, рабочее тело от нагревателя через осевое отверстие 11 в крышке 2 первого рабочего цилиндра 1 поступает в надпоршневую полость расширения, где расширяясь толкает поршень 4, перемещая его до упора в днище 3 первого рабочего цилиндра 1. В этом положении при неподвижном поршне 4, первый подвижный цилиндр 5 имеет возможность опуститься ниже уровня неподвижного поршня 4 до крайнего нижнего положения первого шатуна 14 (НМТ). Далее процессы расширения и сжатия чередуются попеременно то на первом, то на втором рабочих цилиндрах 1.

Благодаря тому, что полости сжатия и расширения обоих рабочих цилиндров 1 соединены между собой посредством осевых отверстий 11, выполненных в крышках 2 и днищах 3 рабочих цилиндров 1, поршни 4 перемещаются в рабочих цилиндрах 1 от упора в крышку, до упора в днище и обратно, исключая полностью мертвые объемы в рабочих цилиндрах.

Силы радиального магнитного притяжения между обтюраторными поясками-магнитопроводами 6 и 7 поршней 4 и подвижных цилиндров 5 прижимают ролики 8 и 9 к стенкам рабочих цилиндров 1. Перемещаясь, магнитное поле стремится увлечь за собой ответный магнитопровод и, поскольку силы трения скольжения превосходят силы трения качения, поршни 4 и подвижные цилиндры 5 катятся на роликах по стенкам рабочих цилиндров 1. Экономичность двигателя увеличивается, вследствие снижения потерь мощности на преодоление сил трения при перемещениях поршней 4 и подвижных цилиндров 5.

Шатуны 14 одним концом ступицей 15 одеты на шейку коленвала 16, а двойным концом-вилкой прикреплены к подвижным цилиндрам 5 при помощи шарниров 13, оси которых параллельны осям шеек вала. Кроме того, одинарный конец шатунов 14 соединен с двойным концом при помощи двухшарнирного звена, оси 18 которого перпендикулярны осям шарниров 13 и шеек вала 16. Наличие шарнирных связей в шатунах 14 исключает перекашивающие воздействия на подвижные цилиндры 5 и возможность их заклинивания при перемещениях по поверхности рабочих цилиндров 1. Это свойство заявленного двигателя также уменьшает потери при передаче мощности с поршней 4 на коленвал отбора мощности, тем самым повышает его экономичность.

Источники информации.

1. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. М. "Машиностроение", 1985, с.с. 209,222.

2. Патент СССР N 1403992, МКИ F02G1/04, 1988.

Формула изобретения

1. Двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий подвижные цилиндры, кинематически связанные с валом отбора мощности, рабочие цилиндры, внутри которых размещены поршни, связанные с подвижными цилиндрами магнитными связывающими устройствами и образующие рабочие полости, соединенные между собой через регенераторы и теплообменники, к которым подключен внешний источник теплоты, отличающийся тем, что подвижные цилиндры выполнены из магнитного или намагничивающегося материала и размещены коаксиально снаружи рабочих цилиндров, выполненных из немагнитных материалов, с возможностью линейного перемещения вдоль них, а поршни снабжены обтюраторными поясками-магнитопроводами и размещены в полостях рабочих цилиндров, герметично отделенных от подвижных цилиндров и механизма отбора мощности, причем ход подвижных цилиндров больше хода поршней на величину не менее ширины обтюраторных поясков-магнитопроводов поршней.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что подвижные цилиндры на внутренней поверхности снабжены обтюраторными поясками-магнитопроводами, ширина которых равна ширине соответствующих им обтюраторных поясков поршней, и роликами, выступающими над поверхностью обтюраторных поясков-магнитопроводов, при этом ролики выполнены с вогнутой образующей, радиус которой равен радиусу наружной поверхности рабочих цилиндров.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поршни по наружной поверхности снабжены роликами, выступающими над поверхностью обтюраторных поясков-магнитопроводов, при этом ролики выполнены с выпуклой образующей, радиус которой равен радиусу внутренней поверхности рабочих цилиндров, а на поверхности обтюраторных поясков поршней выполнены кольцевые канавки, в которых размещены уплотнительные элементы.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поршни по наружной поверхности, а подвижные цилиндры по внутренней поверхности снабжены ползунами, выступающими над поверхностью обтюраторных поясков-магнитопроводов, скользящими по поверхности рабочих цилиндров.

5. Двигатель по пп.1-4, отличающийся тем, что в крышках и днищах рабочих цилиндров выполнены осевые отверстия, к которым прикреплены газоводы, соединяющие полости расширения и сжатия смежных рабочих цилиндров.

6. Двигатель по пп.1-5, отличающийся тем, что шатуны механизма отбора мощности выполнены в виде вилки, раздвоенные концы которых шарнирно связаны с подвижными цилиндрами, а противоположные концы снабжены ступицами, связанными с валом отбора мощности, причем оси шарнира параллельны оси вала отбора мощности.

7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что шатуны механизма отбора мощности снабжены промежуточными двухшарнирными звеньями, оси которых перпендикулярны оси вала отбора мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4