Двигатель "дизель-стирлинг"

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, и позволяет повысить эффективность теплового двигателя. Двигатель предназначен, в первую очередь, для использования на транспортных средствах: автомашинах, мотоциклах. Может найти применение и как стационарный двигатель, например, для получения электроэнергии в глухих местах. Двигатель объединяет в себе положительные свойства дизеля и двигателя Стирлинга, имея при этом существенно более простую конструкцию. Работает на природном газе, производит меньше шума и не токсичен, отличается плавным вращением и высоким КПД. Двигатель содержит охлаждаемый цилиндр с поршнем, камеру сжатия, нагреватель с проволочной набивкой, жаровую трубу, теплозащитный капот и коленчатый вал. Камера сжатия является одновременно и нагревателем и сообщается с цилиндром отверстием, через которое в нее нагнетается поршнем рабочее тело. Здесь от сообщенной рабочему телу теплоты повышается давление, которое реализуется при рабочем ходе поршня. Коленчатый вал имеет три колена, расположенные через 120o каждое. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, и предназначено для использования, в первую очередь, на транспортных средствах: автомашинах, мотоциклах. Может найти применение и как стационарный двигатель, например, для получения электроэнергии в глухих местах.

Двигатель Дизель- Стирлинг (далее просто ДС) является двухтактным поршневым двигателем внешнего сгорания, работающим на газовом топливе. Из названия видно, что двигатель ДС объединяет полезные черты обеих конструкций, получился гибрид с очень высоким КПД(= 0,7, не меньше), лишенный недостатков как дизеля (грязный выхлоп, много шума, низкий КПД), так и Стирлинга (огромное давление и связанная с ним сложность конструкции).

В оптимальном варианте - это двигатель с тремя цилиндрами, "трехфазным" коленвалом и источником теплоты, помещенным прямо в камеры сжатия цилиндров. Получился двигатель ДВ мощностью от 2 до 200 л.с., годный для всех видов транспорта.

Двигатель внешнего сгорания содержит охлаждаемый цилиндр с поршнем, камеру сжатия, нагреватель и коленчатый вал. Камера сжатия является одновременно нагревателем и сообщается с цилиндром отверстием, через которое нагнетается поршнем рабочее тело с предварительным прогревом до 600К (полученных за счет адиабатного сжатия) в камеру сжатия. Здесь от сообщенной теплоты рабочее тело нагревается до 700К, от чего в камере повышается давление до 10 и более атмосфер, которое и реализуется при рабочем ходе поршня. Коленчатый вал имеет три колена, через 120o каждое, что позволяет эффективно использовать рабочий ход поршня: его ход совершается от 30o за верхней мертвой точкой до 150o и действует при самом выгодном положении пары шатун-колено.

Конструктивная схема и работа двигателя поясняются фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 показано: а) цилиндр 1 и камера сжатия - нагреватель 3 в разрезе, перпендикулярном оси О12 коленвала 13; Vp - диаграмма цилиндра двигателя, по которой определили 0,7, в) схема самого двигателя с газовой горелкой 14, камерой сжатия - нагревателем 3, жаровой трубой 6, теплозащитным капотом 5, монтажной плитой 7.

Отверстие 8 связывает нагреватель 3 с рабочим объемом цилиндра 1. Нагреватель 3 заполнен нержавеющей проволокой 4 для обеспечения нагревания сжатого воздуха, подаваемого поршнем 2 в камеру сжатия - нагреватель 3.

Коленвал 13 связан с поршнями шатунами 12, каждый шатун за свою шейку колена: I-й за I-ю, II-й за II-ю и III-й за III-ю "трехфазного" коленвала, то есть такого, у которого колена расположены через 120o поворота вала (см. фиг.1, позиция 17).

Маховик 15 нужен для запуска двигателя в заданном направлении, так как ДС совершенно одинаково работает как в одну сторону, так и в другую.

Горячая головка двигателя закрыта теплозащитным капотом 5 с каналом отвода продуктов сгорания 11.

На фиг. 2 показано: а) головка двигателя в разрезе по оси коленвала, где видно устройство жаровой трубы 6 (собрана из коротких отрезков, чтобы тепловое расширение не разрушило трубу), три цилиндра 1, стоящие в один ряд, три камеры сжатия 3, одновременно являющиеся нагревателями, получающие теплоту от жаровой трубы с помощью проволочной набивки 4.

б) Монтажная плита 7 в плане с местами 18 установки цилиндров и нагревателей на плите с помощью болтовых отверстий 19.

Работает ДС следующим образом.

Зажигаем горелку 14 и прогреваем нагреватель 3 с набивкой 4 до Т1700 К. Затем запускаем двигатель, вращая маховик 15. Колена вала двигают поршни: I-й вниз, у него рабочий ход, II-й "стоит" у НМТ (в цилиндре идет охлаждение рабочего тела и снижение давления до Тa = 330К и Pa = 1 атм), III-й заканчивает сжатие, загоняя весь объем холодного воздуха в камеру сжатия 3. Сжатие идет по адиабате, нагревание от сжатия сообщается сжимаемому воздуху. Степень сжатия = 6, давление Pc = 6 атм. Сжатое поршнем рабочее тело до Тc600К подвергается в камере нагревателя дальнейшему прогреву - ему сообщается теплота Q1, температура поднимается до Tz700К, давление Pz12 атм, 30o до ВМТ + 30o после ВМГ поршень почти стоит на месте. Его перемещение составляет h0 - малую часть хода поршня. Практически рабочий ход начинается от 210o и продолжается до 330o поворота коленвала. Как видно на схеме 16 (фиг. 1), - это наивыгоднейшие для рабочего хода положения шатун-колено, когда наиболее продуктивно используется давление поршня.

Изобарное расширение Z1-Z11 (фиг.1а) продолжается до половины хода поршня. Затем вступает в действие охлаждение и давление падает до Pb 2 атм. В конце рабочего хода поршень приходит в HMT, где окончательно выравнивается давление с помощью отверстия 9 до P0 = 1 атм. Закончив рабочий ход в 1 цилиндре, тот же путь проделает поршень II-го, за ним III-го. Все 360o поворота коленвала происходят при постоянном давлении поршня Pe 10 атм. Вращение вала будет ровное и бесшумное. Прогрев нагревателя 3 совершается непрерывно, а отдача теплоты рабочему телу - только периодически. Теплота Q1, полученная рабочим телом в нагревателе 3, доведет его давление до 12 атм, которое и будет реализовано в рабочем ходе поршня. Совсем как в двигателе Стирлинга, только проще, без дополнительных механизмов и устройств. Даже регенерация частично присутствует (адиабатическое сжатие происходит в горячей части цилиндра и теплота сжатия остается у рабочего тела, в камере сжатия-нагревателе 3, имеющем более высокую температуру, чем газ).

В нижней части цилиндра теплота Q2 < Q1 будет отдана через ребра охлаждения 10 внешней среде, и рабочее тело возвратится в исходное состояние: Т2 = 330К и P2 = 1 атм. Цикл завершен.

Формула изобретения

1. Двигатель внешнего сгорания, содержащий охлаждаемый цилиндр с поршнем, камеру сжатия, нагреватель и коленчатый вал, отличающийся тем, что камера сжатия является одновременно нагревателем и сообщается с цилиндром отверстием, через которое нагнетается поршнем рабочее тело с предварительным прогревом до 600 K (полученных за счет адиабатного сжатия) в камеру сжатия, где от сообщенной ему теплоты нагревается до 700 K, отчего в камере повышается давление до 10 и более атмосфер, которое и реализуется при рабочем ходе поршня.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что коленчатый вал имеет три колена, через 120o каждое, это позволяет эффективно использовать рабочий ход поршня, его ход совершается от 30o за верхней мертвой точкой до 150o и действует при самом выгодном положении пары шатун - колено.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива в двигателях Стирлинга и позволяет повысить их эффективность за счет каталитического окисления топлива

Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга

Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга

Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга

Изобретение относится к теплоэнергетике и устройствам, работающим по циклу Стирлинга

Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга

Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга

Изобретение относится к области теплоэнергетике и устройств, работающих по циклу Стирлинга

Изобретение относится к теплоэнергетике и устройствам, работающим по циклу Стирлинга

Изобретение относится к области теплоэнергетики и устройств, работающих по циклу Стирлинга

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить топливную экономичность двигателей и расширить область их использования

Изобретение относится к энергетике, конкретно к роторным машинам объемного сжатия и расширения: двигателям внешнего нагрева и внутреннего сгорания, компрессорам, а также к гидромашинам - насосам и гидромоторам

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для использования в машинах наземного, водного и воздушного транспорта, в стационарных наземных и космических энергоустановках

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к тепловым двигателям с внешним подводом теплоты, и может быть использовано в автомобилестроении, а также в качестве двигательных устройств морского и речного транспорта

Изобретение относится к двигателестроению, а точнее к двигателям с внешним подводом теплоты, особенностью которых является то, что поршневая и штоковая горячие полости образованы в одном цилиндре, холодные полости - поршневая и штоковая - в другом цилиндре, а рабочий цикл на диаграмме P, V образован двумя изохорами и двумя изотермами

Изобретение относится к области теплоэнергетики и газовых регенеративных машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга, предназначенных в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла

Изобретение относится к области теплоэнергетики и газовых регенеративных машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга, предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла

Изобретение относится к машиностроению, а именно к области тепловых машин внешнего нагревания, работающих по термодинамическому циклу Стирлинга, то есть в идеальном случае: изотерма-изохора-изотерма-изохора

Изобретение относится к термоэнергетической машине для получения механической энергии из солнечной энергии

Изобретение относится к области теплоэнергетики и двигателей Стирлинга, предназначено в качестве автономных энергоустановок для стационарных и передвижных объектов при одновременном производстве электроэнергии и тепла
Наверх