Содержание статьи
Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.
В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг. Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.
Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.
Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду. При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла. Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.
На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.
Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх. Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.
Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному. Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость. Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.
В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.
Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.
После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.
Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.
Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.
В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.
Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.
Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.
При выборе альтернативных источников тепла (энергии солнца) двигатель Стирлинга превращается в разновидность экологически чистого силового агрегата.
Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.
Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.
Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.
Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.
В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!
Оценка статьи:
Загрузка...motorsguide.ru
 | Статья состоит из словарного определения термина. Пожалуйста, доработайте статью, приведя ее в соответствие с правилами. Подробности могут быть на странице обсуждения. В Википедии статьи, состоящие только из словарного определения, не приветствуются, их следует попытаться улучшить или выставить к удалению. Кроме того, статью можно перенести в Викисловарь. Информация о самом слове, его значении, этимологии и употреблении, будет весьма ценным дополнением для Викисловаря. |
Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела.
К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей. Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей.
Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале 19-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине 19-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.
После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце 19-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания. Принцип работы двигателя внешнего сгорания
В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.
Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.
Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.
Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.
Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.
После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.
dic.academic.ru
Топливо-воздушная смесь попадает в цилиндр двигателя, сжимается поршнем, поджигается – и воспламеняется. Казалось бы, у этой схемы не существует альтернативы, и инженеры обречены лишь играть ее слагаемыми – к примеру, заставлять смесь воспламеняться от сжатия (как это происходит в дизеле) или использовать водород вместо бензина. Однако на деле устраивать пожар в цилиндре пытливые умы додумались сравнительно поздно. И сначала был изобретен именно двигатель внешнего сгорания.
Речь идет о редко использующейся сейчас, но некогда чрезвычайно популярной паровой машине. Ведь в ней то в одну половину цилиндра, то в другую попеременно подается пар. При этом процесс сгорания топлива, способствующий превращению воды в пар, проходит аж через две стенки от цилиндра (первая – это стенка собственно цилиндра, а вторая – стенка парового котла).
Паровая машина под "капотом" компактного автомобиля начала двадцатого века.
Напомним, что в свое время паровые автомобили вполне уверенно конкурировали с машинами, использующими двигатели внутреннего сгорания. К примеру, в 1902 года больше половины из поставленных на учет машин были именно паровиками, количество производителей таких машин в США подбиралось к сотни, причем у одного из них, компании Mobile, было больше полусотни дилеров. Впрочем, уже во втором десятилетии XX века обозначился перевес в сторону бензиновых машин – хотя колебания цен на бензин и после Первой мировой войны порой вызывали всплеск интереса к "паровикам", которые гораздо менее разборчивы в плане топлива.
Еще один пример двигателя внешнего сгорания – запатентованный еще в начале девятнадцатого века (и названный в честь изобретателя) двигатель Стирлинга. В нем газ нагревается в одной части цилиндра и охлаждается в другой – и то расширяясь, то сжимаясь, заставляет двигаться поршень. Сгорающее топливо при этом отделено от рабочего тела (газа) всего одной стенкой – но и в этом случае процесс горения происходит за пределами цилиндра. Автомобилестроители проявляли интерес к таким силовым агрегатам лет сорок-пятьдесят назад, но дальше создания прототипов дело не пошло.
В разработке автомобилей-прототипов с двигателем Стирлинга в шестидесятых годах участвовала даже NASA. Одной из ключевых проблем силового агрегата стало отсутствие возможности регулировать обороты так же легко, как на двигателях внутреннего сгорания.
У двигателей внешнего сгорания есть определенные преимущества. Это и "всеядность", отсутствие привязи к определенному типу топлива, и увеличивающая надежность простота конструкции, и чрезвычайно низкий уровень шума. Однако недостатки – к примеру, большая громоздкость конструкции и сравнительно низкий реальный КПД – каждый раз перевешивали. И в итоги главным претендентом на место двигателя внутреннего сгорания под капотом автомобиля сейчас является силовой агрегат, в котором вообще ничего и никогда сгорать не должно.
auto.vesti.ru
Основным видом индивидуального транспорта на сегодняшний момент стал автомобиль. Автомобиль завоевал планету и стал неотъемлемой частью быта. И мы все знаем, что основной частью автомобиля является двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания совершенствовался в течении десятков лет и трудно себе представить, что есть что то более надежное, чем он. Но в начале эры автомобилей, другие типы двигателей наравне конкурировали с двигателем внутреннего сгорания. И несмотря ни на что конкуренты живы до сих пор. Двигатель внешнего сгорания не забыт и более того около его конструкции выросла целая субкультура. Самым распространенным типом такого двигателя является двигатель Стирлинга.
Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.Есть тысячи любителей двигателей Стирлинга. Клубы любителей двигателя, конференции, выставки и сайты по продажам комплектующих для любительской сборки двигателей в домашних условиях. Ниже фото моделей двигателя Стирлинга:
Готовые наборы для сборки двигателя Стирлинга:
А это те самые любители:
Выставка моделей двигателя Стирлинга:
Несколько видео на тему: двигатель внешнего сгорания:
</br> </br> </br> </br>
Псковский двигатель внешнего сгорания:
</br>
Написано Vsiaco Прочитать цитируемое сообщениеОригинал записи и комментарии на LiveInternet.ru
timemechanic.livejournal.com
Основным видом индивидуального транспорта на сегодняшний момент стал автомобиль. Автомобиль завоевал планету и стал неотъемлемой частью быта. И мы все знаем, что основной частью автомобиля является двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания совершенствовался в течении десятков лет и трудно себе представить, что есть что то более надежное, чем он. Но в начале эры автомобилей, другие типы двигателей наравне конкурировали с двигателем внутреннего сгорания. И несмотря ни на что конкуренты живы до сих пор. Двигатель внешнего сгорания не забыт и более того около его конструкции выросла целая субкультура. Самым распространенным типом такого двигателя является двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин. Есть тысячи любителей двигателей Стирлинга. Клубы любителей двигателя, конференции, выставки и сайты по продажам комплектующих для любительской сборки двигателей в домашних условиях. Ниже фото моделей двигателя Стирлинга:
Готовые наборы для сборки двигателя Стирлинга: 
А это те самые любители:
Выставка моделей двигателя Стирлинга:
thebester.ru
 | Статья состоит из словарного определения термина. Пожалуйста, доработайте статью, приведя ее в соответствие с правилами. Подробности могут быть на странице обсуждения. В Википедии статьи, состоящие только из словарного определения, не приветствуются, их следует попытаться улучшить или выставить к удалению. Кроме того, статью можно перенести в Викисловарь. Информация о самом слове, его значении, этимологии и употреблении, будет весьма ценным дополнением для Викисловаря. |
Дви́гатели вне́шнего сгора́ния — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела.
К этому классу относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга, газовые турбины внешнего сгорания, а также другие типы двигателей. Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей.
Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале 19-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине 19-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.
После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце 19-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания. Принцип работы двигателя внешнего сгорания
В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.
Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.
Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.
Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.
Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.
После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.
ushakov.academic.ru
Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель внешнего сгорания содержит цилиндр, разделенный поршнем со штоком на 2 части, каждая из которых патрубком соединена с камерой, наполненной рабочим газом (гелием, аргоном, азотом и др.). Периодический нагрев и охлаждение камер, когда одну камеру нагревают потоком газообразных продуктов горения топлива, а вторую охлаждают потоком холодного воздуха или воды приводит к изменению давления в частях цилиндра, соединенных с камерами, и возвратно-поступательному движению поршня со штоком. Двигатель может работать на любом топливе, использовать для работы потоки горячего газа, являющиеся отходами работы различных высокотемпературных агрегатов или просто утилизировать тепло в печной трубе дровяного отопления сельского дома. При этом для работы двигателя достаточны перепады температуры всего в несколько десятков градусов. 1. з. п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к двигателям с внешним подводом тепла. Оно может быть использовано для утилизации тепла отходов различных промышленных установок, в виде горячих газов, для превращения тепла в механическую работу и электрическую энергию. Оно может быть также использовано для утилизации тепла дымовых газов печного отопления в индивидуальных домах.
Известна паровая машина Уатта [1] в которой имеется рабочий цилиндр, разделенный на две части поршнем со штоком. В каждую часть цилиндра периодически подают перегретый пар, в то время как из другой части цилиндра периодически выпускают отработанный пар, в результате чего поршень совершает возвратно-поступательное движение, преобразуемое во вращательное шатунно-кривошипным механизмом. Недостатком этого двигателя является необходимость в специальном рабочем веществе-водяном паре -, для получения которого требуется громоздкое и дорогое устройство паровой котел. Поэтому этот двигатель в настоящее время почти не применяется. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является двигатель внешнего сгорания [2, 3] (или двигатель с внешним подводом тепла), принятый за прототип, содержащий рабочий цилиндр с внешним подводом тепла, поршень со штоком, поршень-вытеснитель отработанного рабочего газа и тепловой регенератор газа. В качестве газорабочего тела двигателя обычно используют водород или гелий при высоких давлениях 10 14 МПа (100 140 ат.). Недостатком этого двигателя является сложность его конструкции и очень высокое давление рабочего газа, при которого работа двигателя становится эффективной. Поэтому этот двигатель с внешним подводом тепла почти не нашел практического применения [2] Задачей изобретения является упрощение конструкции двигателя с внешним подводом тепла путем устранения поршня вытеснителя и регенератора, значительного снижения давления рабочего газа и придания двигателю способности работать при малой разности температур между нагревателем и охладителем [2] благодаря чему двигатель способен утилизировать тепло горячих газов-отходов от различных высокотемпературных установок и, в частности, систем отопления. Задача решается благодаря тому, что двигатель с внешним подводом тепла, содержащий цилиндр, разделенный поршнем со штоком на две части, сообщенные с рабочими камерами и заполненные рабочим газом, при этом рабочие камеры снабжены устройствами для поочередного и противофазного нагрева и охлаждения рабочего газа, отличается тем, что рабочие камеры выполнены выносными и сообщены с цилиндром при помощи патрубков, а объем рабочих камер в 5 10 раз превышает объем цилиндра. Двигатель отличается тем, что рабочие камеры и цилиндр с остальными агрегатами размещены в изолированных друг от друга отсеках. Сущность изобретения состоит в том, что при нагреве камеры давление газа в ней и в соединенной с ней части цилиндра существенно повышается, и поршень перемещается выталкивая газ из второй части цилиндра во вторую камеру, которую в это время охлаждают. Затем первую камеру охлаждают и одновременно нагревают вторую камеру, в результате чего поршень перемещается в противоположном направлении и рабочий газ вытесняется из первой части цилиндра в соединенную с ней первую камеру. Так совершается возвратно-поступательное движение поршня и штока, которое хорошо известными способами [1] может быть преобразовано во вращательное движение. Так как объем камер в 4 10 раз больше объема цилиндра, перемещение поршня в цилиндре несущественно изменяют давление газа в цилиндре и в камерах, соединенных с соответствующими частями цилиндра. Если, например, объем цилиндра 2 литра, то объем камер должен быть 10 20 литров. При такой конструкции двигателя давление рабочего газа в камерах 10 15 ат (1 1,5 МПа) достаточно, чтобы двигатель мог работать при разности температур между нагревателем и охладителем в 20 30oС. Например, при средней температуре камер Т 300 К 27oС (комнатная температура) давлении газа в камерах 15 ат и разности температур между камерами Т 20 К 20oС разность давлений
p между камерами будет [4] 
. При площади поршня 100 см2 на шток будет действовать сила F 100 кГ 980 H, что достаточно для работы двигателя. На чертеже схематически изображено устройство предлагаемого двигателя в продольном разрезе. Двигатель содержит рабочий цилиндр 1, внутри которого расположен поршень 2 со штоком 3, проходящим через уплотнение 4. Рабочий цилиндр 1 разделен поршнем 2 на две части 5 и 6, соединенные с камерами 7 и 8 патрубками 9 и 10. По трубам 11 и 12 (или горелками, форсунками для сжигания топлива) на камеры 7 и 8 периодически направляют газообразные продукты сжигания топлива. Для охлаждения камер служат сопла 13, подающие за счет работы двигателя струи холодного воздуха, воды или потоки водяных брызг. Для переключения режима работы камер с нагрева на охлаждение, и наоборот, могут быть использованы различные устройства. На чертеже в качестве примерам приведено устройство для переключения с помощью шибера 14, приводимого в движение штоком 3 через стержни 15 17, соединенные шарнирами. Работа двигателя происходит следующим образом. Камеру 7 нагревают потоком горячего газа. Давление в этой камере и левой части 5 цилиндра 1 повышается и становится выше давления газа в второй части цилиндра 6 и соединенной с ней камере 8. Поршень 2 из крайнего левого положения в цилиндре 1 начнет передвигаться вправо. В момент достижения поршня центрального положения в цилиндр 1 нагрев камеры 7 прекращают и одновременно начинают нагрев второй камеры 8 и охлаждение камеры 7. Движение поршня вправо будет продолжаться до тех пор пока давление газа в камерах 7 и 8 не сравняется. Далее камера 8 прогревается, и поршень 2 за счет повышения давления в камере 8 начинает передвигаться в противоположном направлении, влево на чертеже. При этом поршень 2 будет выталкивать рабочий газ из части цилиндра 5 в камеру 7. В момент достижения поршнем среднего положения нагрев камеры 8 прекращают, начинают ее охлаждение и одновременно начинают нагрев камеры 7, после чего цикл работы двигателя завершается. Частота возвратно-поступательного движения поршня 2 зависит от скорости нагревания и охлаждения камер, величины изменения температуры камер, от исходного давления газа в камерах и мощности двигателя. Исходное давление рабочего газа в цилиндре и камерах может изменяться от нескольких атмосфер до нескольких десятков атмосфер. В качестве рабочего газа, как и в двигателе прототипе, могут быть использованы водород и гелий или аргон и воздух [2, 3] В простейшем случае камеры 7 и 8 можно изготовить из стали, что дает возможность нагревать камеры до температуры в несколько сотен градусов. При использовании жаростойких и жаропрочных материалов температуры могут быть существенно выше, что будет способствовать получению более высокого коэффициента полезного действия. Для улучшения теплообмена поверхности камер следует изготавливать рефленой. Еще лучше потоки горячего газа и холодного воздуха пропускать через систему теплообменных труб, расположенных внутри камер 7 и 8. Достоинством предлагаемого двигателя является простота его конструкции и вследствие этого малая стоимость и высокая надежность в работе. Двигатель может работать на самых различных видах топлива: дрова, торф, бурый уголь, горючие сланцы, угольная пыль, сырая нефть, мазут, керосин, горючий, в частности, природный газ. Для работы двигателя можно использовать отходы в виде горячих газов от различных высокотемпературных агрегатов: котельных установок, металлургических печей, печей домашнего отопления. Как видно из чертежа камеры 7 и 8 можно расположить в дымовой трубе топки, разделив продольно перегородкой поток газа на две части. При этом шибером 14 поток горячего газа периодически направляют то в одну то в другую часть продольно разделенного дымохода при одновременном пропускании холодного воздуха через другую часть дымохода. Потоки горячего и холодного воздуха могут быть обеспечены даже естественной тягой в трубе. Важным достоинством предлагаемого двигателя является то, что рабочий газ нагревают в камерах 7 и 8, а не в рабочем цилиндре, как в двигателе-прототипе [2] что позволяет проводить нагрев до более высоких температур, повышает коэффициент полезного действия двигателя и ускоряет процесс нагрева и охлаждения рабочего газа. Очень важным достоинством предлагаемого двигателя является, то что он может использовать для работы малые разности температур (в десятки градусов), что не могут делать двигатели-прототипы [2] и паровые машины или другие тепловые двигатели. Предлагаемый двигатель может также работать используя горячую воду подземных вод. Предлагаемый двигатель может быть использован в жилых домах, где используют печное отопление. За счет горячих газов печного отопления двигатель может вырабатывать электроэнергию для дома и подавать в дом воду из колодца или реки. Такой двигатель может быть широко использован в отдаленных районах Сибири и Дальнего Востока, где много дров, но куда доставлять топливо для дизельных или бензиновых двигателей дорого и сложно. В частности, предлагаемый двигатель может быть эффективно использован фермерами, что приведет к экономии дорого и дефицитного дизельного топлива и бензина. Экономический эффект от применения предлагаемого двигателя будет значительным, но количественно его в настоящее время оценить трудно. Литеpатуpа. 1. Техническая энциклопедия. Под pедакцией Маpтенса Л.К. М. Советская энциклопедия, 1931, с.782. 2. Большая советская энциклопедия, т.24 книга I. М. Советская энциклопедия, 1976, с.520. 3. Политехнический словаpь. М. Советская энциклопедия, 1989, с.505.Формула изобретения
1. Двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий цилиндр, разделенный поршнем со штоком на две части, сообщенные с рабочими камерами и заполненные рабочим газом, при этом рабочие камеры снабжены устройствами для поочередного и противофазного нагрева и охлаждения рабочего газа, отличающийся тем, что рабочие камеры выполнены выносными и сообщены с цилиндром при помощи патрубков, а объем рабочих камер в 5-10 раз превышает объем цилиндра. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочие камеры и цилиндр с остальными агрегатами размещены в изолированных друг от друга отсеках.РИСУНКИ
Рисунок 1NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение
Извещение опубликовано: 27.03.2006 БИ: 09/2006
www.findpatent.ru
