Изобретение относится к энергетике. Двигатель с подводом теплоты содержит цилиндр с головкой и поршнем, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками. Головка и поршень образуют рабочую камеру. Золотники имеют выемки на части боковой поверхности и формируют вытеснительные полости. Вытеснительные полости связаны с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами. Нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра. Холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра. Золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра. Изобретение направлено на уменьшение габаритов и увеличение удельной мощности двигателя с подводом теплоты. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области энергетики, а именно к тепловым двигателям объемного вытеснения с внешним подводом теплоты.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известно устройство, принятое за прототип, «Двигатель с внешним подводом теплоты» (RU 2343300 С2, F02G 1/04, 2009). Это устройство, содержащее цилиндр с поршнем, нагреватель, холодильник и распределительный механизм, размещенный в головке цилиндра и выполненный в виде золотникового вытеснителя с вращающимся цилиндрическим золотником, имеющим выемку на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой кольцевым каналом, имеет недостатки, выражающиеся в низкой удельной мощности, обусловленной недостаточной теплообменной площадью внутренних поверхностей нагревателя и холодильника и значительными утечками теплоты в местах контактов нагревателя и холодильника, а также пространственной габаритностью, обусловленной размещением распределителя в головке цилиндра.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является повышение площадей теплообмена и их взаимное термическое разграничение в двигателе с подводом теплоты.
Решение задачи обеспечивается тем, что в двигателе с подводом теплоты, содержащем цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками, имеющими выемки на части боковой поверхности, формирующими вытеснительные полости, связанные с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами, согласно изобретению нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра.
Увеличение количества золотников, размещение распределителя с золотниками не в головке, а между рубашками цилиндра (нагревателем и холодильником) и наличие на боковой поверхности каждого цилиндрического золотника вытеснительной полости, которая в сочетании с кольцевым каналом и газоходным каналом-соплом, сообщающим ее с рабочей камерой при вращении цилиндрического золотника, попеременно взаимодействует со средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником и выполняет при этом одновременно как функции распределителя, так и функции камеры подвода теплоты (расширения) или камеры отвода теплоты (сжатия), существенно увеличивает площади теплообмена и удельную мощность, уменьшает габаритные характеристики двигателя с подводом теплоты.
Перечень фигур чертежей
На Фиг. 1 представлен общий вид двигателя с подводом теплоты в продольном сечении ВОС; на Фиг. 2 - части поперечных разрезов Е-Е, D-D и вида А на Фиг. 1.
Двигатель содержит цилиндр, внутренней рубашкой которого является нагреватель 1, конструктивно объединенный с головкой 2, и поршень 3, образующие рабочую камеру 4, холодильник 5, являющийся внешней рубашкой цилиндра, цилиндрические золотники 6, каждый из которых имееет вытеснительную полость 7 с кольцевым каналом 8, газоходные каналы-сопла 9 и привод золотников 10.
Двигатель с подводом теплоты работает следующим образом.
При движении поршня 3 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) вытеснительная полость 7 цилиндрического золотника 6 находится в зоне размещения средства отвода теплоты - холодильника 5. При этом происходит вытеснение газообразного рабочего тела из рабочей камеры 4 по газоходному каналу-соплу 9 и кольцевому каналу 8 в вытеснительную полость 7 и сжатие рабочего тела с отводом теплоты (охлаждением) в вытеснительной полости 7 к холодному источнику, выполненному в виде средства отвода теплоты - холодильника 5. Вытеснительная полость 7 выполняет роль камеры отвода теплоты (сжатия).
При движении поршня 3 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) вытеснительная полость 7 цилиндрического золотника 6 находится в зоне размещения средства подвода теплоты - нагревателя 1. При этом происходит подвод теплоты к рабочему телу от горячего источника, выполненного в виде средства подвода теплоты - нагревателя 1, перемещение по кольцевому каналу 8 и газоходному каналу-соплу 9 в рабочую камеру 4 и расширение рабочего тела в рабочей камере 4 с совершением работы. Вытеснительная полость 7 выполняет роль камеры подвода теплоты (расширения). В этом такте рабочий газ при расширении отбирает теплоту и от поверхности головки 2 и от поверхности нагревателя 1 изнутри рабочей камеры.
Синхронное перемещение вытеснительных полостей 7 вращающихся цилиндрических золотников 6 при возвратно-поступательном движении поршня 3 в рабочей камере 4 обеспечивает привод 10, связанный с коленчатым валом 11.
В двигателе с подводом теплоты внутренняя рубашка цилиндра, каковой является нагреватель 1, и коаксиально посаженная на нее внешняя рубашка цилиндра, каковой является холодильник 5, в местах сопряжений, согласно изобретению разделены щелью 12 или теплоизолятором 13, что термически разграничивает нагреватель от холодильника, уменьшая перетоки теплоты, при этом наличие щелей способствует еще и взаимному ускоренному выравниванию давлений рабочего газа в вытеснительных полостях 7 цилиндрических золотников 6.
В двигателе с подводом теплоты газоходные каналы-сопла 9, соединяющие вытеснительные полости 7 с рабочей камерой, согласно изобретению проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра (нагревателя 1) в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра, что уменьшает паразитный мертвый объем рабочей камеры 4, увеличивая удельную мощность.
В двигателе с подводом теплоты газоходные каналы-сопла 9 согласно изобретению имеют тангенциальное направление входа в рабочую камеру 4, что способствует улучшению теплообмена за счет вихревого ометания внутренней поверхности нагревателя 1, а также способствует полезному снижению температуры в зоне трения юбки поршня 3 о стенку цилиндра.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению головка 2 и внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 дополнительно образуют смежную, через головку 2, с рабочей камерой 4 камеру 14 сгорания и теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки 15 топливной горючей смеси и размещения теплоаккумулирующего вещества.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению камера 14 сгорания имеет примыкающие к головке 2 и к стенке внутренней рубашки цилиндра - нагревателю 1, теплообменные ребра 16, в том числе и ребра, плоскости симметрии которых проходят через оси цилиндрических золотников 6 (с целью увеличения теплопередачи от горелки 15 к нагревателю 1 и уменьшения теплоперетока в зонах сопряжения внутренней рубашки цилиндра - нагревателя 1 и внешней рубашки цилиндра - холодильника 5).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления 17 для измерения и контроля на их дне температуры нагревателя с помощью сетки контактных термодатчиков 18 (во избежание местных перегревов, так называемых «красных пятен», и «прогара» материала нагревателя).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 через головку 2 соединена с тепловой трубой 19 (для внешнего подвода к нагревателю 1 концентрированной лучистой энергии солнца, высокотемпературной теплоты ядерных реакторов, теплоты радиоизотопных ТВЭЛов).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 и головка 2 соединены с теплоэлектронагревателем (ТЭН) 20 для внешнего подвода теплоты к нагревателю посредством электрической энергии (в том числе с нестабильными формой, напряжением и частотой).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению камера сгорания нагревателя частично заполнена теплоаккумулятором - легкоплавким теплоаккумулирующим веществом 21, например расплавом солей или металлов (эвтектикой), для терморегулирования и термостабилизации, а также теплопитания двигателя расплавом.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени 22 (для увеличения поверхности теплообмена головки 2).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению цилиндрические золотники 6 на противоположных по своим осям концах выемок, формирующих вытеснительные полости 7, имеют проточки 23 (для более активного движения рабочего газа через поперечное сечение вытеснительной полости и для выравнивания температур на концах цилиндрических золотников 6 в зонах сопряжения: горячая внутренняя рубашка-золотник-холодная внешняя рубашка цилиндра).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в качестве рабочего газа используется моногаз или смесь газов.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в качестве рабочего газа используется метан или смесь углеводородных или углеродсодержащих газов, т.е. газов, используемых, в том числе, для приготовления горючей топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания, или специально разработанных рабочих газов (рабочих тел).
Для уменьшения утечек рабочего газа используются компрессионные кольца 24 как для уплотнения сопряжений рабочего поршня, так и для уплотнения сопряжений концевых участков цилиндрических золотников со стенками цилиндров их полостей.
Для уменьшения тепловых потерь при движении рабочего газа по кольцевым каналам 8 применяется теплоизоляционное покрытие 25 стенок каналов.
Для управления мощностью двигателя с подводом теплоты используется изменение фазового соотношения между фазой вращающегося коленчатого вала 11 и фазой синхронно вращающихся цилиндрических золотников 6 управляемым круговым поворотом центрального колеса в планетарном редукторе 26, соединяющим ось коленвала 11 с осью привода 10 синхронного вращения золотников, по аналогии с «управлением стерлингами» [Г. Уокер ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА Перевод с английского Б.В. СУТУГИНА и Н.В. СУТУГИНА, МОСКВА, МАШИНОСТРОЕНИЕ, 1985, стр. 201].
Для наполнения рабочей камеры двигателя рабочим газом из резервуара-хранилища используется впускной вентиль 27 и впускной обратный клапан 28.
Для вытеснения рабочего газа в резервуар-хранилище (при длительных перерывах в работе двигателя) используется выпускной вентиль 29 и выпускной обратный клапан 30.
При отсутствии подвода теплоты к нагревателю и принудительном вращении коленчатого вала устройство осуществляет отбор теплоты у нагревателя с передачей в холодильник (для целей сверхнизкой криогенной техники). При изменении фазового угла цилиндрических золотников на 180 градусов относительно «фазы» коленчатого вала отбор теплоты будет происходить от холодильника с передачей теплоты нагревателю.
Благодаря использованию планетарного редуктора 26 двигатель может осуществлять торможение (и реверс) вращающегося коленчатого вала с рекуперацией механической энергии и последующим использованием этой энергии для «разгона» после старта, а также быть трансформированным в холодильную установку или тепловой насос (в полной аналогии с тепловыми машинами, именуемыми СТИРЛИНГАМИ с тем лишь отличием, что математическая модель для проектирования двигателей с подводом теплоты, имеющих цилиндрический золотниковый распределитель, предположительно должна быть намного проще, ибо в этих тепловых машинах объем вытеснительных полостей является величиной постоянной, а у стирлингов - переменный, чем и вызвана чрезвычайная сложность проектирования стирлингов, усугубляющаяся наличием в стирлингах высокого начального давления рабочего газа и регенераторов теплоты).
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов и увеличение удельной мощности двигателя с подводом теплоты.
1. Двигатель с подводом теплоты, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками, имеющими выемки на части боковой поверхности, формирующими вытеснительные полости, связанные с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра и внешняя рубашка цилиндра в местах сопряжений разделены щелью или теплоизолятором.
3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что каналы-сопла, соединяющие вытеснительные полости с рабочей камерой, проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра.
4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что газоходные каналы-сопла имеют тангенциальное направление входа в рабочую камеру.
5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка и внутренняя рубашка цилиндра дополнительно образуют смежную, через головку, с рабочей камерой камеру сгорания и теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки топливной горючей смеси и размещения теплоаккумулирующего вещества.
6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что камера сгорания нагревателя частично заполнена теплоаккумулирующим веществом.
7. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что камера сгорания имеет примыкающие к головке и к стенке внутренней рубашки теплообменные ребра, в том числе и ребра, плоскости симметрии которых проходят через оси цилиндрических золотников.
8. Двигатель по п. 7, отличающийся тем, что в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления.
9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра через головку соединена с тепловой трубой.
10. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра и головка соединены с теплоэлектронагревателем.
11. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени.
12. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические золотники на концах выемок, формирующих вытеснительные полости, имеют проточки.
13. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используется моногаз или смесь газов.
14. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используется метан или смесь углеводородных или углеродсодержащих газов.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к двигателям объемного вытеснения. Двигатель с внешним подводом теплоты содержит цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм. Распределительный механизм размещен в головке цилиндра и выполнен в виде золотникового вытеснителя. Золотниковый вытеснитель включает корпус с противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость. Вытеснительная полость связана с рабочей камерой кольцевым каналом. Градусная мера центрального угла окружности основания цилиндрического золотника, внутри которого расположена выемка, формирующая вытеснительную полость, меньше 180°. Глубина - определяющий радиальный размер вытеснительной полости меньше ее длины - определяющего продольного размера. Объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры. Техническим результатом является упрощение конструкции и уменьшение массо-габаритных характеристик двигателя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. 
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям объемного вытеснения, и может быть использовано для упрощения конструкции и снижения массо-габаритных характеристик в двигателях с внешним подводом теплоты.
Из уровня техники известен двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, источники подвода теплоты, регенераторы, холодильник и клапанный распределительный механизм (RU 2082895 C1, F02G 1/00, 1997). Однако наличие нескольких источников подвода теплоты, регенераторов и выполнение распределительного механизма в виде системы клапанов существенно усложняет конструкцию двигателя и обуславливает повышенные массогабаритные характеристики.
Известен также двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, камеру подвода теплоты и камеру отвода теплоты, которые снабжены средствами подвода и отвода теплоты, и клапанный распределительный механизм, обеспечивающий попеременное сообщение рабочей камеры с камерами подвода и отвода теплоты, который размещен в головке цилиндра (RU 2227223 C1, F02G 1/04, 2004). В данном двигателе камеры подвода теплоты и отвода теплоты выполнены в виде отдельных выносных емкостей, что не обеспечивает компактности конструкции.
Изобретение направлено на упрощение конструкции и уменьшение массогабаритных характеристик двигателя с внешним подводом теплоты.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в двигателе с внешним подводом теплоты, содержащем цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель и средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм, согласно изобретению распределительный механизм размещен в головке цилиндра и выполнен в виде золотникового вытеснителя, включающего корпус с противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой кольцевым каналом.
Кроме того, градусная мера центрального угла окружности основания цилиндрического золотника, внутри которого расположена выемка, формирующая вытеснительную полость, меньше 180°, глубина - определяющий радиальный размер вытеснительной полости меньше ее длины - определяющего продольного размера, а объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры.
Размещение золотникового распределителя с цилиндрическим золотником в головке цилиндра и наличие на боковой поверхности цилиндрического золотника вытеснительной полости, которая в сочетании с кольцевым каналом, сообщающим ее с рабочей камерой при вращении цилиндрического золотника, попеременно взаимодействует с размещенными на корпусе золотникового вытеснителя средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником и выполняет при этом одновременно как функции распределителя, так и функции камеры подвода теплоты (расширения) или камеры отвода теплоты (сжатия), существенно упрощает конструкцию и уменьшает массогабаритные характеристики двигателя с внешним подводом теплоты. При этом заявленные соотношения геометрических параметров направлены на обеспечение оптимизации и эффективности протекания тепловых процессов в двигателе.
На Фиг.1 представлен общий вид двигателя; на Фиг.2 - продольный разрез I-I на Фиг.1.
Двигатель содержит один или несколько цилиндров 1 с поршнем 2, которые образуют рабочую камеру 3, размещенный в головке 4 цилиндра распределительный механизм, который выполнен в виде золотникового вытеснителя, включающего корпус 5, снабженный противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем 6 и отвода теплоты - холодильником 7, и вращающийся цилиндрический золотник 8 с выемкой 9 на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость 10, постоянно связанную с рабочей камерой 3 кольцевым каналом 11, и привод 12, обеспечивающий синхронное вращение цилиндрического золотника 8.
При этом градусная мера дуги АВ окружности основания цилиндрического золотника 8 (окружности, которая является направляющей цилиндрической поверхности золотника 8), внутри которой расположена выемка 9, формирующая вытеснительную полость 10 (или градусная мера центрального угла АОВ окружности основания цилиндрического золотника 8, внутри которого расположена выемка 9, формирующая вытеснительную полость 10), меньше 180°, глубина - определяющий радиальный размер «а» вытеснительной полости 10 меньше ее определяющего поперечного размера «в» и меньше ее длины - определяющего продольного размера «с» (а<в; а<с), а объем вытеснительной полости 10 меньше объема рабочей камеры 3.
Двигатель с внешним подводом теплоты работает следующим образом.
При движении поршня 2 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) вытеснительная полость 10 цилиндрического золотника 8 находится в зоне размещения средства отвода теплоты - холодильника 7. При этом происходит вытеснение газообразного рабочего тела из рабочей камеры 3 по кольцевому каналу 11 в вытеснительную полость 10 и сжатие рабочего тела с отводом теплоты (охлаждением) в вытеснительной полости 10 к холодному источнику, выполненному в виде средства отвода теплоты - холодильника 7. Вытеснительная полость 10 выполняет роль камеры отвода теплоты (сжатия).
При движении поршня 2 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) вытеснительная полость 10 цилиндрического золотника 8 находится в зоне размещения средства подвода теплоты - нагревателя 6. При этом происходит подвод теплоты к рабочему телу от горячего источника, выполненному в виде средства подвода теплоты - нагревателя 6, перемещение по кольцевому каналу 11 в рабочую камеру 3 и расширение рабочего тела в рабочей камере 3 с совершением работы. Вытеснительная полость 10 выполняет роль камеры подвода теплоты (расширения).
Синхронное перемещение вытеснительной полости 10 вращающегося цилиндрического золотника 8 при возвратно-поступательном движении поршня 2 в цилиндре 1 обеспечивает привод 12, связанный с коленчатым валом 13.
1. Двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель и средство отвода теплоты - холодильник, и распределительный механизм, отличающийся тем, что распределительный механизм размещен в головке цилиндра и выполнен в виде золотникового вытеснителя, включающего корпус с противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой кольцевым каналом.
2. Двигатель с внешним подводом теплоты по п.1, отличающийся тем, что градусная мера центрального угла окружности основания цилиндрического золотника, внутри которого расположена выемка, формирующая вытеснительную полость, меньше 180°, глубина - определяющий радиальный размер вытеснительной полости меньше ее длины - определяющего продольного размера, а объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к энергетике. Техническим результатом является повышение эффективности. Сущность изобретения заключается в том, что тепловой двигатель содержит цилиндр с головкой и поршнем, нагреватель, холодильник, вытеснительную полость и газораспределительный механизм. Головка и поршень образуют рабочую камеру, связанную с вытеснительной полостью газоходным каналом-соплом. Газоходный канал-сопло при входе в рабочую камеру образует завихритель газа. Нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра. Холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра. Вытеснительная полость расположена в теле обечайки цилиндра между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра. Газораспределительный механизм выполнен в виде завихрителя рабочего газа, образованного тангенциальной направленностью газоходного канала-сопла при входе в вытеснительную полость. Тепловой двигатель с бесклапанным газораспределением дополнительно содержит активатор - средство подвода плазмообразующей энергии активации рабочего газа в рабочей камере, который позволяет осуществлять замкнутый внутренний цикл «активной» регенерации теплоты сжатия. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 ил. 
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к энергетике, а именно к тепловым двигателям объемного вытеснения с внешним и внутренним подводом (регенерацией) теплоты.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известно устройство, принятое за прототип: «Револьверный двигатель с подводом теплоты» (заявка на изобретение RU 2013119931, опубл. 27.11.2014 г.), содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками, имеющими выемки на части боковой поверхности, формирующими вытеснительные полости, связанные с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра.
При всей своей привлекательности это устройство имеет недостатки, обусловленные наличием сложного распределительного механизма, включающего сложный привод для синхронного вращения большого количества цилиндрических золотников с вытеснительными полостями, а также наличием большого количества поверхностей трения и мест уплотнения у составляющих элементов, снижающих надежность и моторесурс.
Из уровня техники известен (заявка на изобретение RU 2013115083, опубл. 10.10.2014 г.) имплазный способ работы тепловой машины и реализующее этот способ устройство, содержащее вытеснительную секцию (полость) и взаимно связанную с ней газоходом тепломеханическую энергопреобразующую секцию, включающую рабочий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру объемного вытеснения рабочего газа с возможностью регенерации теплоты внутренней поверхностью и с возможностью ее заполнения рабочим газом через газоход, а также средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа и завихритель рабочего газа, образованный конструкционной направленностью газохода при входе в рабочую камеру.
К недостаткам этого устройства следует отнести низкую механическую мощность по причине низкого теплового эквивалента плазмообразующей энергии активации, преобразуемой в механическую энергию, а также отсутствие специальных средств для внешнего подвода и отвода теплоты (нагревателя и холодильника) и газораспределительного механизма.
Из уровня техники известно устройство: «Аэродинамический клапан для камеры пульсирующего горения» (SU 459612, опубл. 05.02.1975 г.), где использовано соединение коаксиальных цилиндрических камер (полостей) газоходными каналами с тангенциальной направленностью, реализующими эффект аэродинамического клапана (газораспределителя), определенные особенности которого применены для решения задач настоящего изобретения.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является расширение арсенала тепловых двигателей с упрощенным газораспределительным механизмом и наделение их функциональностью внешнего и внутреннего подвода (регенерации) теплоты с улучшенной эффективностью.
Решение задачи упрощения газораспределительного механизма обеспечивается тем, что в тепловом двигателе с вихревым газораспределением, содержащем цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, заполненную рабочим газом, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник, вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой как минимум одним газоходным каналом-соплом, завихритель рабочего газа в рабочей камере, образованный конструкционной направленностью газоходного канала-сопла при входе в рабочую камеру, и газораспределительный механизм, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, вытеснительная полость расположена в теле обечайки цилиндра между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра, согласно изобретению вытеснительная полость выполнена в виде радиально-осевой цилиндрической выемки (пустотелой обечайки), а газораспределительный механизм выполнен в виде завихрителя рабочего газа в вытеснительной полости образованного конструкционной тангенциальной направленностью газоходного канала-сопла при входе в вытеснительную полость.
Общеизвестно, что для работы теплового двигателя (тепловой машины) при сжатии и расширении рабочего газа необходимо обеспечить его взаимодействие с двумя внешними разнотемпературными источниками теплоты, т.е. с низкотемпературным источником, в который «сбрасывается» (посредством холодильника) теплота сжатия, и с высокотемпературным источником, от которого поступает (посредством нагревателя) при расширении теплота, преобразуемая в механическую работу.
В прототипе взаимодействие обеспечивается мультизолотниковым распределителем (с вытеснительными полостями), при сжатии и расширении рабочего газа попеременно соединяющим вытеснительные полости (рабочий газ) с холодильником или с нагревателем.
В настоящем изобретении рабочий газ при сжатии в рабочей камере вытесняется из нее в вытеснительную полость, через как минимум один тангенциальный газоходный канал-сопло, где, закручиваясь в вихрь, прижимается к поверхности внешней стенки вытеснительной полости, образованной наружной рубашкой цилиндра (холодильником), и, ометая ее, взаимодействует со средством отвода теплоты - холодильником, отдавая ему теплоту сжатия. При этом (в силу того что вектор скорости кругового движения рабочего газа направлен к поверхности внешней стенки вытеснительной полости) взаимодействие газового вихря с поверхностью внутренней стенки вытеснительной полости, образованной внутренней рубашкой цилиндра (нагревателем), - намного слабее, а значит - не является определяющим. Вытеснительная полость при сжатии рабочего газа выполняет в итоге функцию камеры отвода теплоты (сжатия).
При завершении такта сжатия и вытеснения рабочего газа из рабочей камеры вихревое движение рабочего газа в вытеснительной полости также прекращается.
При расширении рабочего газа в рабочей камере газ возвращается из вытеснительной полости в рабочую камеру через газоходный канал-сопло и за счет его конструкционной направленности при входе в рабочую камеру - рабочий газ закручивается в другой («противоположный») вихрь, при этом «прижимается» к внутренней поверхности цилиндрической стенки рабочей камеры, являющейся внутренней рубашкой цилиндра (нагревателем), и, ометая ее, взаимодействует со средством подвода теплоты - нагревателем, отбирая у него теплоту при расширении рабочего газа за счет увеличивающегося объема надпоршневого пространства с производством полезной работы по перемещению поршня.
При истекании сжатого рабочего газа из вытеснительной полости за счет его расширения в рабочей камере теплота отбирается и в вытеснительной полости от стенок, одна из которых является холодильником, а другая - нагревателем, при этом величина теплопереноса к рабочему газу от стенки зависит от разности их температур. В силу того что температура нагревателя выше температуры холодильника, при расширении рабочего газа отбор теплоты от нагревателя в вытеснительной полости - является определяющим. В итоге - вытеснительная полость и рабочая камера, имея общую смежную стенку, внутреннюю рубашку цилиндра, являющуюся нагревателем, при расширении рабочего газа выполняют в совокупности функцию камеры подвода теплоты (расширения).
Так применение конструкционной направленности газоходных каналов (соединяющих рабочую камеру и вытеснительную полость) как при входе в рабочую камеру, так и при входе в вытеснительную полость, размещенную в теле обечайки цилиндра и выполненную в виде пустотелой «щелеобразной» цилиндрической обечайки за счет формирования разнонаправленных вихрей рабочего газа и управления их прекращением и трансформацией (о чем будет сказано ниже) позволяет значительно упростить распределительный механизм, исключив вращающиеся трущиеся уплотняемые золотниковые распределительные элементы и заменив их вихревым газораспределением.
Решение задачи улучшения эффективности двигателя и его функциональности в виде внешнего и внутреннего подвода (регенерации) теплоты обеспечивается тем, что двигатель, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, заполненную плазмообразующим рабочим газом, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник, вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой как минимум одним газоходным каналом-соплом, завихритель рабочего газа в рабочей камере, образованный конструкционной направленностью газоходного канала-сопла при входе в рабочую камеру, и газораспределительный механизм, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, вытеснительная полость расположена в теле обечайки цилиндра между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра и выполнена в виде радиально-осевой цилиндрической выемки (пустотелой обечайки), а газораспределительный механизм выполнен в виде завихрителя рабочего газа в вытеснительной полости образованного конструкционной тангенциальной направленностью газоходного канала-сопла при входе в вытеснительную полость, согласно изобретению дополнительно содержит средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа в рабочей камере, функционально преобразующий рабочую камеру в рабочую плазменно-вихревую камеру с возможностью осуществления внутреннего замкнутого цикла «активной» регенерации теплоты сжатия.
Наличие нагревателя, холодильника, вытеснительной полости и рабочей плазменно-вихревой камеры, связанных газоходным каналом-соплом, а также распределительного механизма позволяет двигателю вырабатывать механическую энергию за счет внешнего подвода теплоты посредством нагревателя и сброса «отработанной» теплоты сжатия в холодильник. Наличие же активатора позволяет подводить внутрь рабочей плазменно-вихревой камеры плазмообразующую энергию активации рабочего газа и также преобразовывать ее в механическую энергию (в объеме ее «теплового эквивалента»), реализуя, по сути, внутренний подвод теплоты к двигателю.
В процессе работы двигателя осуществляется еще и внутренний замкнутый цикл «активной» регенерация теплоты сжатия, реализуемый следующим имплазным способом. В рабочей плазменно-вихревой камере циклически: рабочий газ подвергают объемному сжатию и расширению, активации и релаксации, при этом активацию рабочего газа осуществляют посредством временного и пространственного процесса принудительной объемной диссоциации рабочего газа от воздействия плазмообразующей энергией активации с возможностью получения внутри объема рабочей камеры продуктов диссоциации, являющихся средством внутреннего отвода теплоты - регенеративным холодильником, поглощающих теплоту от рабочего газа включая теплоту сжатия, которые перемещают к стенкам рабочей камеры до контакта с ними, а в процессе контактирования со стенками камеры продукты диссоциации подвергают релаксации из неравновесного неустойчивого состояния активации посредством их саморекомбинации с выделением рекомбинационной теплоты на внутренней регенерирующей поверхности стенок камеры, являющейся регенеративным нагревателем - средством внутреннего подвода к рабочему газу теплоты, используемой затем для нагревания рабочего газа при расширении. При этом функцию переноса продуктов диссоциации осуществляют благодаря пристеночному завихрению рабочего газа в рабочей плазменно-вихревой камере (посредством завихрителя) с образованием трансформацией из пристеночного вихревого потока внутреннего осевого потока рабочего газа (направленного от поршня к головке цилиндра), в котором и осуществляют получение и перенос продуктов диссоциации. Описанный процесс есть не что иное как реализация внутреннего замкнутого цикла «активной» регенерации теплоты сжатия - нечто подобное процессам регенерации теплоты в двигателях Стирлинга, где в отличие от «активной» регенерации осуществляется внутренний замкнутый цикл «пассивной» регенерации теплоты посредством регенератора.
При осуществлении в настоящем изобретении внутреннего замкнутого цикла «активной» регенерации теплоты сжатия резко уменьшается работа на сжатие рабочего газа, что ведет к существенному увеличению КПД теплового двигателя и его мощности.
Перечень фигур чертежей
Вышеуказанные и иные аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном его описании, приводимом со ссылками на чертежи, на которых изображены:
На Фиг. 1 представлен общий вид теплового двигателя в продольном сечении MON; на Фиг. 2 - части поперечных сечений Р-Р, Q-Q и вида L на Фиг. 1.
Двигатель содержит цилиндр, внутренней рубашкой которого является нагреватель 1, конструктивно объединенный с головкой 2, и поршень 3, образующие рабочую (рабочую плазменно-вихревую) камеру 4, холодильник 5, являющийся внешней рубашкой цилиндра, газоходные каналы-сопла 6 входа в рабочую камеру, вытеснительную полость 7 с тангенциальными газоходными каналами-соплами 8 входа в вытеснительную полость (осуществляющими функцию вихревого газораспределителя).
Тепловой двигатель с вихревым газораспределением работает следующим образом.
При движении поршня 3 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит объемное вытеснение рабочего газа из рабочей камеры 4 по газоходному каналу-соплу 6 и каналу-соплу 8 в вытеснительную полость 7 и сжатие рабочего газа с отводом теплоты (охлаждением) в вытеснительной полости 7 к холодному источнику, выполненному в виде средства отвода теплоты - холодильника 5, за счет его вихревого ометания рабочим газом. Вытеснительная полость 7 выполняет роль камеры отвода теплоты (сжатия). При завершении такта сжатия в результате трения о стенку вихревое движение рабочего газа в вытеснительной полости замедляется и прекращается.
При движении в рабочей камере 4 поршня 3 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) в вытеснительной полости 7 происходит подвод теплоты к рабочему газу от горячего источника, выполненного в виде средства подвода теплоты - нагревателя 1, перемещение газа по газоходному каналу-соплу 8 и газоходному каналу-соплу 6 в рабочую камеру 4 и расширение рабочего газа в рабочей камере 4 с отбором теплоты в том числе и от нагревателя 1 со стороны рабочей камеры с совершением работы по перемещению поршня 3. Вытеснительная полость 7 и рабочая камера 4 в совокупности выполняют роль камеры подвода теплоты (расширения). В этом такте рабочий газ при расширении отбирает теплоту и от поверхности головки 2 изнутри рабочей камеры.
Второй вариант теплового двигателя согласно изобретению дополнительно содержит средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа 9.
В этом варианте работа двигателя происходит следующим образом.
При движении в рабочей плазменно-вихревой камере 4 поршня 3 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) рабочий газ, предварительно сжатый в предыдущем такте, из вытеснительной полости возвращается в рабочую плазменно-вихревую камеру через газоходный канал-сопло 8 и газоходный канал-сопло 6 и за счет направленности последнего закручивается в вихрь, ометая изнутри нагреватель 1 и отбирая от него теплоту при расширении в надпоршневом пространстве, а также снаружи - в вытеснительной полости 7 с совершением полезной работы. При замедлении движения поршня после прохождения им среднего положения и остановке в НМТ пристеночный вихрь внутри рабочей плазменно-вихревой камеры трансформируется в возвратный узкий осевой поток рабочего газа, направленный от поршня к головке цилиндра. С момента нахождения поршня в районе НМТ и формирования возвратного узкого осевого потока рабочего газа в рабочую плазменно-вихревую камеру подается через активатор 9 плазмообразующая энергия, осуществляющая в пространстве объема осевого потока принудительную активацию (диссоциацию/ионизацию) рабочего газа с получением продуктов диссоциации, поглощающих теплоту от рабочего газа, включая теплоту сжатия, при сжатии газа в такте сжатия. Продукты диссоциации в этом такте (такте сжатия) доставляются потоком к головке 2 и прилегающим стенкам цилиндра (внутренней рубашке - нагревателю), где при контакте с поверхностью происходит саморекомбинация продуктов диссоциации с выделением на этой поверхности ранее поглощенной (при диссоциации/ионизации) рекомбинационной теплоты и получением исходного (или другого синтезированного) рабочего газа, который вытесняется в вытеснительную полость 7, где, закручиваясь в вихрь, отдает оставшуюся теплоту сжатия ометаемому холодильнику 5. При подходе поршня к ВМТ подача энергии активации может быть прекращена. Цикл замыкается в ВМТ. Таким образом, нагреватель 1 передает рабочему газу при расширении как внешнюю (подведенную из вне) теплоту, а также (поступающую из вне) плазмообразующую энергию активации в виде тепловой энергии (как результат ее трансформации внутри рабочей плазменно-вихревой камеры при диссоциации-рекомбинации) в объеме ее теплового эквивалента, вдобавок выполняя функцию внутреннего регенеративного (восстанавливающегося, возвратного) нагревателя рабочего газа регенеративной теплотой сжатия при осуществлении замкнутого цикла внутренней «активной» регенерации теплоты сжатия рабочего газа посредством диссоциации-рекомбинации газа.
В тепловом двигателе внутренняя рубашка цилиндра, каковой является нагреватель 1, и коаксиально посаженная на нее внешняя рубашка цилиндра, каковой является холодильник 5, в местах сопряжений согласно изобретению могут быть разделены теплоизолятором 10, что термически разграничивает нагреватель от холодильника, уменьшая перетоки теплоты, при этом увеличивая КПД.
В тепловом двигателе определяющий линейный размер «а» радиальной ширины кольца основания цилиндрической выемки, формирующей вытеснительную полость (размер половины разности диаметров окружностей, которые являются направляющими цилиндрических поверхностей вытеснительной полости - пустотелой обечайки), много меньше длины - определяющего осевого (продольного) размера «b» выемки, при этом объем вытеснительной полости меньше объема рабочей (рабочей плазменно-вихревой) камеры.
В тепловом двигателе газоходные каналы-сопла 6 и 8, соединяющие рабочую (рабочую плазменно-вихревую) камеру 4 с вытеснительной полостью 7, согласно изобретению проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра (нагревателя 1) в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра, что уменьшает мертвый объем рабочей (рабочей плазменно-вихревой) камеры 4, увеличивая удельную мощность.
В тепловом двигателе газоходные каналы-сопла 6 имеют тангенциальное, или нормальное, направление входа в рабочую (рабочую плазменно-вихревую) камеру 4, что способствует улучшению теплообмена за счет вихревого ометания внутренней поверхности нагревателя 1, а также способствует полезному снижению температуры в зоне трения юбки поршня 3 о стенку цилиндра.
В тепловом двигателе согласно изобретению головка 2 и внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 дополнительно образуют смежную через головку 2 с рабочей (рабочей плазменно-вихревой) камерой 4 камеру 11 сгорания и/или теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки 12 топливной горючей смеси и/или размещения теплоаккумулирующего вещества.
В тепловом двигателе с подводом теплоты согласно изобретению камера 11 сгорания имеет примыкающие к головке 2 и к стенке внутренней рубашки цилиндра - нагревателю 1, теплообменные ребра 13 (с целью увеличения теплопередачи от горелки 12 к нагревателю 1).
В тепловом двигателе, согласно изобретению, в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления 14 для измерения и контроля на их дне температуры нагревателя с помощью сетки контактных термодатчиков 15 (во избежание местных перегревов, так называемых «красных пятен», и «прогара» материала нагревателя).
В тепловом двигателе согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1, через головку 2 соединена с тепловой трубой 16 (для внешнего подвода к нагревателю 1 концентрированной лучистой энергии солнца либо высокоплотной высокотемпературной тепловой энергии: ядерных реакторов - ЯР, радионуклидных тепловыделяющих элементов - ТВЭЛов, радиоизотопных источников теплоты - РИТ).
В тепловом двигателе согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1, и головка 2 соединены с теплоэлектронагревателем (ТЭН) 17 для внешнего подвода теплоты к нагревателю посредством электрической энергии (в том числе с нестабильными формой, напряжением и частотой).
В тепловом двигателе согласно изобретению камера сгорания нагревателя частично или полностью заполнена теплоаккумулятором 18 - легкоплавким теплоаккумулирующим веществом, например расплавом солей или металлов (эвтектикой), для терморегулирования и термостабилизации, а также возможного теплопитания двигателя расплавом из специального резервуара-хранилища расплава.
В тепловом двигателе согласно изобретению головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени 19 (для увеличения поверхности теплообмена головки 2).
В тепловом двигателе согласно изобретению цилиндрическая выемка, формирующая вытеснительную полость 7, на противоположных по оси концах имеет сплошные проточки 20 увеличения концевых объемов вытеснительной полости 7.
В двигателе в качестве рабочего газа используется моногаз или смесь газов.
В тепловом двигателе согласно изобретению в качестве рабочего газа наилучшим образом может быть использован метан и/или смесь углеводородных и/или углеродсодержащих газов, т.е. газов, используемых в том числе для приготовления горючей топливной смеси сжигаемой в камере сгорания или специально разработанных рабочих тел (газов).
Для наполнения рабочей камеры двигателя рабочим газом из резервуара-хранилища рабочего газа используется впускной вентиль 21 и впускной обратный клапан 22.
Для вытеснения рабочего газа в резервуар-хранилище (при длительных перерывах в работе двигателя) используется выпускной вентиль 23 и выпускной обратный клапан 24.
Средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа - может быть выполнен в виде свечи зажигания 9 или контейнера-пушки 25 с радиоактивным веществом 26, осуществляющим однонаправленное непрерывное ионизирующее излучение.
Средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа - может быть размещен в головке 2 цилиндра рабочей плазменно-вихревой камеры и/или в поршне 3 рабочей плазменно-вихревой камеры.
Внутренняя и внешняя рубашки цилиндра (нагреватель 1 и холодильник 5) могут быть выполнены одновременной отливкой (в сборке: либо через теплоизолятор, либо единым телом) с целью упрощения технологии изготовления цилиндра и его обработки.
Для работы тепловых двигателей с подводом теплоты с целью получения максимальной мощности рекомендуется применение «легких» газов, молекулы которых имеют наименьшее количество степеней свободы (водород и/или гелий).
Так, при использовании метана и/или смеси углеводородных газов в процессе «наработки» двигателя (от диссоциации) будет постоянно вырабатываться водород.
При этом во избежание закоксовывания компрессионных колец, поверхности головки, стенок рабочего цилиндра и днища поршня нежелательным, в данном случае, «побочным» твердым устойчивым продуктом диссоциации метана - катионами атомарного углерода и «сажи» - двигатель согласно изобретению дополнительно содержит углеродную ловушку атомарного углерода 27, размещенную внутри рабочей плазменно-вихревой камеры 4, заполненной метаном и/или смесью углеводородных и/или смесью углеродсодержащих газов. Как вариант, углеродная ловушка атомарного углерода может быть размещена на активаторе рабочего газа 9 (например, на центральном электроде электроразрядной/дуговой свечи зажигания). Углеродная ловушка атомарного углерода может быть выполнена в виде «затравки» кристаллического углерода с возможностью ее роста по мере улавливания и осаждения продуктов диссоциации в твердой фазе. Исходным материалом для «затравки» может служить углерод с заданной структурой кристаллической решетки (графит, фуллерен, нанотрубка и пр.). Для интенсификации улавливания положительно заряженных катионов углерода может быть применено следующее техническое решение: углеродная ловушка атомарного углерода имеет электропроводную связь с отрицательным потенциалом источника электродвижущей силы, при этом внутренняя поверхность рабочей камеры имеет электропроводную связь с его положительным потенциалом, т.е. на углеродную ловушку атомарного углерода может быть подан (в т.ч. через электроды свечи зажигания) отрицательный потенциал постоянного напряжения (например, того же «сварочного напряжения» от источника тока «дугового» разряда, который может быть использован как источник плазмообразующей энергии), а на металлический корпус рабочего цилиндра - положительный.
Углеродная ловушка атомарного углерода может быть выполнена с возможностью эвакуации осажденных продуктов диссоциации в твердой фазе за пределы рабочей плазменно-вихревой камеры, ибо при «вырастании» до предела в процессе эксплуатации устройства «выросшая» затравка подлежит периодической замене (что возможно и удобно производить вместе с заменой свечи зажигания) и может быть использована для других нужд (например, в наноиндустрии).
Для осуществления принудительной диссоциации той или иной разновидности используемого рабочего газа может быть выбран другой вид энергии воздействия, а соответственно и свеча зажигания. Так свеча зажигания может быть калильной с электротермическим нагревом вольфрамовых нити и заостренного стержня («раскаленной» проволоки), либо свеча зажигания может быть выполнена в виде лазерного излучателя, генерирующего мощный световой поток внутрь рабочей камеры. В качестве плазмообразующей энергии для диссоциации может быть использовано электромагнитное СВЧ-излучение, при этом свеча зажигания может быть выполнена в виде штыревого зонда-возбудителя. При использовании радиоактивного воздействия в целях диссоциации активатор рабочего газа, как уже было сказано выше, может быть выполнен автономным: в виде контейнера-пушки 25 с радиоактивным веществом 26, осуществляющим длительное однонаправленное непрерывное ионизирующее излучение.
Техническим результатом изобретения является упрощение газораспределительного механизма, увеличение удельной мощности двигателя, повышение КПД, надежности и моторесурса.
1. Двигатель, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, заполненную рабочим газом, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник, вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой как минимум одним газоходным каналом-соплом, завихритель рабочего газа в рабочей камере, образованный конструкционной направленностью газоходного канала-сопла при входе в рабочую камеру, и газораспределительный механизм, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, вытеснительная полость расположена в теле обечайки цилиндра между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра, отличающийся тем, что вытеснительная полость образована выемкой в виде пустотелой обечайки, а газораспределительный механизм выполнен в виде завихрителя рабочего газа в вытеснительной полости образованного конструкционной тангенциальной направленностью газоходного канала-сопла при входе в вытеснительную полость.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра и внешняя рубашка цилиндра в местах сопряжений разделены теплоизолятором.
3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что газоходные каналы-сопла, соединяющие вытеснительную полость с рабочей камерой, проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра.
4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка и внутренняя рубашка цилиндра дополнительно образуют смежную через головку с рабочей камерой камеру сгорания и/или теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки топливной горючей смеси и/или размещения теплоаккумулирующего вещества.
5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что камера сгорания имеет теплообменные ребра, примыкающие к стенке внутренней рубашки и к головке, а головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени.
6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления.
7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра через головку соединена с тепловой трубой и/или с теплоэлектронагревателем.
8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что определяющий линейный размер радиальной ширины кольца основания цилиндрической выемки, формирующей вытеснительную полость, меньше длины - определяющего осевого размера выемки, при этом объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры.
9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрическая выемка, формирующая вытеснительную полость, на противоположных по оси концах имеет сплошные проточки увеличения концевых объемов вытеснительной полости.
10. Двигатель, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, заполненную плазмообразующим рабочим газом, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник, вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой как минимум одним газоходным каналом-соплом, завихритель рабочего газа в рабочей камере, образованный конструкционной направленностью газоходного канала-сопла при входе в рабочую камеру, и газораспределительный механизм, при этом нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, вытеснительная полость расположена в теле обечайки цилиндра между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра и образована выемкой в виде пустотелой обечайки, а газораспределительный механизм выполнен в виде завихрителя рабочего газа в вытеснительной полости образованного конструкционной тангенциальной направленностью газоходного канала-сопла при входе в вытеснительную полость, отличающийся тем, что дополнительно содержит средство подвода плазмообразующей энергии активации - активатор рабочего газа в рабочей камере, функционально преобразующий рабочую камеру в рабочую плазменно-вихревую камеру.
11. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра и внешняя рубашка цилиндра в местах сопряжений разделены теплоизолятором.
12. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что газоходные каналы-сопла, соединяющие рабочую плазменно-вихревую камеру с вытеснительной полостью, проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра, при этом определяющий линейный размер радиальной ширины кольца основания цилиндрической выемки, формирующей вытеснительную полость, меньше длины - определяющего осевого размера выемки, а объем вытеснительной полости меньше объема рабочей плазменно-вихревой камеры.
13. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что головка и внутренняя рубашка цилиндра дополнительно образуют смежную через головку с рабочей плазменно-вихревой камерой камеру сгорания и/или теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки топливной горючей смеси и/или размещения теплоаккумулирующего вещества, при этом камера сгорания имеет теплообменные ребра, примыкающие к стенке внутренней рубашки и к головке, а головка на внутренней поверхности имеет концентрические ступени.
14. Двигатель по п. 13, отличающийся тем, что в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления.
15. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра через головку соединена с тепловой трубой и/или с теплоэлектронагревателем.
16. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что цилиндрическая выемка, формирующая вытеснительную полость, на противоположных по оси концах имеет сплошные проточки увеличения концевых объемов вытеснительной полости.
17. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что активатор рабочего газа размещен в головке цилиндра рабочей плазменно-вихревой камеры и/или в поршне рабочей плазменно-вихревой камеры.
18. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что активатор выполнен в виде свечи зажигания или в виде контейнера-пушки с радиоактивным веществом, осуществляющим однонаправленное непрерывное ионизирующее излучение.
19. Двигатель по п. 10, отличающийся тем, что дополнительно содержит углеродную ловушку атомарного углерода, размещенную внутри рабочей плазменно-вихревой камеры, заполненной метаном, и/или смесью углеводородных газов, и/или смесью углеродсодержащих газов.
20. Двигатель по п. 19, отличающийся тем, что углеродная ловушка атомарного углерода выполнена в виде «затравки» кристаллического углерода с возможностью ее роста по мере улавливания и осаждения продуктов диссоциации в твердой фазе, а также с возможностью эвакуации осажденных продуктов диссоциации в твердой фазе за пределы рабочей плазменно-вихревой камеры.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к механизмам преобразования прямолинейного движения поршня во вращение вала. Бесшатунный механизм содержит корпус и многоколенчатый вал, каждое звено колена которого наряду с коренной шейкой, щечкой и шатунной шейкой содержит солнечную шестерню, солнечно-планетарную шестерню и планетарную шестерню-сателлит. а также эксцентриковую втулку, с возможностью вращения на шатунной шейке, и шток поршня. Солнечная шестерня жестко зафиксирована на корпусе, солнечно-планетарная шестерня жестко зафиксирована на торце эксцентриковой втулки, а планетарная шестерня-сателлит размещена на щечке с возможностью свободного вращения и одновременного вхождения в зацепление с солнечной и солнечно-планетарной шестерней. Тело коленчатого вала с планетарными шестернями-сателлитами проходит внутри солнечных шестерен и солнечно-планетарных шестерен. При этом радиусы последних равны радиусу кривошипа коленчатого вала, радиусу эксцентриситета эксцентриковой втулки и четверти диаметра солнечной шестерни. Достигается повышение жесткости конструкции устройства, увеличение его долговечности и моторесурса. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области преобразователей возвратно-поступательного движения во вращательное и может быть применено в машиностроении для изготовления многоцилиндровых поршневых двигателей и компрессоров.
Шестеренные гипоциклоидные бесшатунные преобразователи возвратно-поступательного движения во вращательное и наоборот, содержащие планетарную и солнечную (с удвоенным диаметром планетарной) шестерни - известны более ста лет. Среди последних (принятый за прототип) - «БЕСШАТУННЫЙ ПЛАНЕТАРНО-КРИВОШИПНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ» RU 2441995 от 10.02.2012 г., авт. Поспелов В.Д., содержащий поршневые штоки, соединенные головками с кривошипными осями средних кривошипных валов, средний кривошипный вал, образованный двумя сателлитами, установленными на цапфах водил и скрепленными наглухо с щечками, второй кривошипный вал образованный двумя водилами с цапфами, служащими кривошипными осями среднего кривошипного вала, при этом неподвижная коронная (солнечная) шестерня с внутренним венцом гипоциклического механизма жестко крепится в корпусе и кинематически связана с сателлитами.
При достоинствах, заключенных в устранении давления поршней на боковые стенки цилиндров (что заметно, снижая износ и тех и других, повышает моторесурс) и повышении общего механического КПД устройства - эти преобразователи (включая прототип) имеют недостатки. К недостаткам, с одной стороны, следует отнести «выкрашивание зубьев» шестерен, как следствие от изменения направления момента воздействия на поршень рабочих газов (двигателя), что можно ослабить повышением количества цилиндров в единой цепи (на одном вале). С другой стороны, для повышения общей мощности (двигателя) также необходимо наращивание цилиндров по количеству. Но пространственное пересечение планетарной шестерней оси солнечной шестерни - позволяет использовать планетарные шестерни лишь на концах валов и конструировать поршневые машины с количеством в единой цепи не более 2 оппозитных цилиндров, что явно недостаточно для нейтрализации «выкрашивания зубьев». И для повышения суммарной цилиндровой мощности приходится суммировать мощности отдельных цепей (отдельных валов) с помощью дополнительного суммирующего вала, делая устройство громоздким. К недостаткам прототипа как раз и следует отнести необходимость наличия вала отбора и суммирования мощности с синхронизирующими шестернями, что заметно ослабляет и без того нежесткую конструкцию механизма, ухудшает массогабаритные характеристики.
Из уровня техники известен также «БЕСШАТУННЫЙ МОДУЛЬНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С СИЛОВЫМ МЕХАНИЗМОМ ЭКСЦЕНТРИКОВОГО ТИПА» RU 2212552 от 20.09.2003, содержащий вращающийся в корпусе коленчатый вал, на шатунной шейке которого размещена пара эксцентриков с разнонаправленным эксцентриситетом, и посаженые головками на шейки эксцентриков шток-поршни. К недостаткам этого бесшатунного механизма преобразования, помимо вышеизложенных, можно отнести то, что поршни для обеспечения гипоциклоидности выполняют еще и функцию ползунов, а это роднит их с бесшатунными механизмами, известными как схемы С.С.Баландина, к сожалению, так и не получивших широкого распространения по причине заклинивания двигателей, выполненным по этим схемам, из-за быстрого износа («выкрашивания» ползунов и направляющих) и нежесткости конструкции.
Целью изобретения является расширение арсенала технических средств и создание одновального бесшатунного механизма без ползунов и синхронизирующих валов с улучшенными моторесурсными параметрами.
Изобретение направлено на реализацию возможности шестеренного гипоциклоидного планетарно-кривошипного бесшатунного преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение вала (и наоборот) в поршневой машине с многоколенчатым валом, т.е. в поршневой машине с большим рядным количеством цилиндров, в котором роль вала отбора и суммирования мощности, а также роль синхронизирующего вала с шестернями - выполняет сам коленчатый вал.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом, согласно изобретению, содержит корпус и коленчатый вал, каждое звено колена которого наряду с коренной шейкой, щечкой и шатунной шейкой, содержит также большую солнечную шестерню внутреннего зацепления, среднюю солнечно-планетарную шестерню внутреннего зацепления и малую планетарную шестерню-сателлит внешнего зацепления, а также эксцентриковую втулку, с возможностью вращения на шатунной шейке, и, шток поршня, посаженный на наружную шейку эксцентриковой втулки с возможностью вращения вокруг нее, при этом солнечная шестерня жестко зафиксирована на корпусе соосно коренной шейке, солнечно-планетарная шестерня жестко зафиксирована на торце эксцентриковой втулки соосно шатунной шейке, а планетарная шестерня-сателлит размещена на щечке с противоположной от шатунной шейки стороны, с возможностью свободного вращения вокруг оси, проходящей через тело щечки и расположенной в плоскости осей шатунной и коренной шеек параллельно им между осью шатунной шейки и зеркальным к ней отражением оси коренной шейки, и с возможностью одновременного вхождения в зацепление с солнечной и солнечно-планетарной шестерней, тело коленчатого вала с планетарной шестерней-сателлитом проходит внутри солнечной шестерни и солнечно-планетарной шестерни, радиус которой равен радиусу кривошипа коленчатого вала, радиусу эксцентриситета эксцентриковой втулки и четверти диаметра солнечной шестерни.
Использование в «классическом» шестеренном гипоциклоидном преобразователе вместо планетарной шестерни внешнего зацепления, жестко закрепленной на планетарно-вращающемся кривошипном вале - солнечно-планетарной шестерни внутреннего зацепления (жестко закрепленной на вращающейся эксцентриковой втулке) и применение дополнительной планетарной шестерни-сателлита, кинематически связывающих ее внешним зацеплением с солнечно-планетарной шестерней и с солнечной шестерней, зафиксированной на корпусе, позволяет отказаться от валов синхронизации, отбора и суммирования мощности, функции которых в поршневой машине с большим рядным количеством цилиндров выполняет сам коленчатый вал.
Позвенная кинематическая связь единого цельного коленчатого вала с корпусом машины через солнечные шестерни позволяет разгрузить коленчатый вал от переменных крутильных и изгибающих нагрузок и увеличить жесткость корпуса и коленчатого вала, распределив нагрузки по их пространственной длине.
Шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом изображен на фиг.1 (общий вид звена колена коленчатого вала в продольном разрезе) и содержит: корпус 1, коленчатый вал 2, коренную шейку 3 коленчатого вала, шатунную шейку 4 коленчатого вала, щечку 5 коленчатого вала, большую солнечную шестерню 6 внутреннего зацепления, среднюю солнечно-планетарную шестерню 7 внутреннего зацепления, малую планетарную шестерню-сателлит 8 внешнего зацепления с возможностью вращения вокруг оси 9, эксцентриковую втулку 10, шток поршня 11 с большой головкой.
Механизм работает следующим образом. При вращении в корпусе 1 коленчатого вала 2 происходит обкатывание планетарной шестерней-сателлитом 8 солнечной шестерни 6 с передачей вращения солнечно-планетарной шестерне 7, которая в свою очередь передает вращение эксцентриковой втулке 10. При этом за счет соотношения диаметров солнечной и солнечно-планетарной шестерен, за один оборот коленчатого вала эксцентриковая втулка совершит два оборота, как и в «классическом» шестеренном гипоциклоидном бесшатунном механизме, что заставляет головку штока поршня совершать прямолинейные возвратно-поступательные перемещения «без шатания».
Выбор оптимальных соотношений размеров кривошипа и диаметров коренных и шатунных шеек коленчатого вала позволит (при технологической сборке машины) без разрезания «нанизывать» на коленчатый вал солнечные, солнечно-планетарные и планетарные шестерни, а также поршневые штоки большими головками, а затем устанавливать «собранный» коленчатый вал в корпус машины на «постели» опор коренных шеек, закрепляя их крышками 12, с последующей фиксацией к корпусу 1 солнечных шестерен 6. Единственное, что нельзя установить без разрезания - эксцентриковые втулки 10, которые могут быть выполнены как вкладыши подшипников скольжения, обычно конструируемые разрезными. При этом вместо подшипников скольжения между эксцентриковыми втулками и головками поршневых штоков могут быть установлены подшипники качения 13.
Ось планетарной шестерни-сателлита, согласно изобретению, может быть выполнена в виде цапфы, являющейся частью щечки, отлитой с коленчатым валом единым телом, либо выполнена в виде цапфы жестко зафиксированной сбоку на щечке коленчатого вала, либо выполнена в виде вала, проходящего сквозь щечку и шатунную шейку коленчатого вала.
На одной шатунной шейке коленчатого вала, согласно изобретению, могут быть размещены две, с возможностью жесткого спаривания, эксцентриковые втулки с разнонаправленными эксцентриситетами, и, соответственно - по два оппозитно-спаренных поршневых штока.
Солнечная, солнечно-планетарная и планетарная шестерни, согласно изобретению, могут быть расположены на каждой щечке по разные стороны от шатунной шейки, при этом солнечные шестерни по разные стороны от шатунной шейки могут фиксироваться на корпусе с предварительным натягом вращения в противоположных направлениях для исключения люфтов в зубчатых зацеплениях, что заметно снизит уровень фактора «выкрашивания» зубьев.
Во избежание заклинивания механизма при значительных неточностях соблюдения размеров радиуса кривошипов коленчатого вала и эксцентриситетов эксцентриковых втулок на стадии изготовления или в результате износа деталей - штоки могут быть выполнены как шатуны (с малой амплитудой «шатания»), при этом размер эксцентриситета эксцентриковой втулки может быть равен, меньше или больше размера радиуса кривошипа коленчатого вала, который в свою очередь может быть равен, меньше или больше размера радиуса солнечно-планетарной шестерни при обязательном соотношении ее передаточного числа к солнечной шестерне 2/1.
Техническим результатом изобретения является повышение жесткости конструкции устройства, увеличение его долговечности и моторесурса.
Шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом может быть использован в двигателестроении мощных многорядных многоцилиндровых двигателей с внешним подводом теплоты (внешнего сгорания), например, стирлинговых двигателей, для надводных судов, подводных лодок, магистральных железнодорожных тепловозов, большегрузных тягачей и карьерных самосвалов.
1. Шестеренный бесшатунный механизм с многоколенчатым валом, характеризующийся тем, что содержит корпус и коленчатый вал, каждое звено колена которого наряду с коренной шейкой, щечкой и шатунной шейкой содержит также большую солнечную шестерню внутреннего зацепления, среднюю солнечно-планетарную шестерню внутреннего зацепления и малую планетарную шестерню-сателлит внешнего зацепления, а также эксцентриковую втулку с возможностью вращения на шатунной шейке, и шток поршня, посаженный на наружную шейку эксцентриковой втулки с возможностью вращения вокруг нее, при этом солнечная шестерня жестко зафиксирована на корпусе соосно коренной шейке, солнечно-планетарная шестерня жестко зафиксирована на торце эксцентриковой втулки соосно шатунной шейке, а планетарная шестерня-сателлит размещена на щечке с противоположной от шатунной шейки стороны, с возможностью свободного вращения вокруг оси, проходящей через тело щечки и расположенной в плоскости осей шатунной и коренной шеек параллельно им между осью шатунной шейки и зеркальным к ней отражением оси коренной шейки, и с возможностью одновременного вхождения в зацепление с солнечной и солнечно-планетарной шестерней, тело коленчатого вала с планетарной шестерней-сателлитом проходит внутри солнечной шестерни и солнечно-планетарной шестерни, радиус которой равен радиусу кривошипа коленчатого вала, радиусу эксцентриситета эксцентриковой втулки и четверти диаметра солнечной шестерни.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось планетарной шестерни-сателлита выполнена в виде цапфы, являющейся частью щечки, отлитой с коленчатым валом единым телом.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось планетарной шестерни-сателлита выполнена в виде цапфы, жестко зафиксированной сбоку на щечке коленчатого вала.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ось планетарной шестерни-сателлита выполнена в виде вала, проходящего сквозь щечку и шатунную шейку коленчатого вала.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эксцентриковая втулка выполнена в виде разрезного вкладыша-подшипника скольжения.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на одной шатунной шейке коленчатого вала размещены две жестко спаренные эксцентриковые втулки с разнонаправленными эксцентриситетами, и по два оппозитных поршневых штока на каждой втулке.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что солнечная шестерня, солнечно-планетарная шестерня и планетарная шестерня-сателлит расположены на каждой щечке коленчатого вала по разные стороны от шатунной шейки.
8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что солнечные шестерни по разные стороны от шатунной шейки зафиксированы на корпусе с предварительным натягом вращения в противоположных направлениях.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к двигателям объемного вытеснения. Двигатель с внешним подводом теплоты содержит цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм. Распределительный механизм размещен в головке цилиндра и выполнен в виде золотникового вытеснителя. Золотниковый вытеснитель включает корпус с противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость. Вытеснительная полость связана с рабочей камерой кольцевым каналом. Градусная мера центрального угла окружности основания цилиндрического золотника, внутри которого расположена выемка, формирующая вытеснительную полость, меньше 180°. Глубина - определяющий радиальный размер вытеснительной полости меньше ее длины - определяющего продольного размера. Объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры. Техническим результатом является упрощение конструкции и уменьшение массо-габаритных характеристик двигателя. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям объемного вытеснения, и может быть использовано для упрощения конструкции и снижения массо-габаритных характеристик в двигателях с внешним подводом теплоты.
Из уровня техники известен двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, источники подвода теплоты, регенераторы, холодильник и клапанный распределительный механизм (RU 2082895 C1, F02G 1/00, 1997). Однако наличие нескольких источников подвода теплоты, регенераторов и выполнение распределительного механизма в виде системы клапанов существенно усложняет конструкцию двигателя и обуславливает повышенные массогабаритные характеристики.
Известен также двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, камеру подвода теплоты и камеру отвода теплоты, которые снабжены средствами подвода и отвода теплоты, и клапанный распределительный механизм, обеспечивающий попеременное сообщение рабочей камеры с камерами подвода и отвода теплоты, который размещен в головке цилиндра (RU 2227223 C1, F02G 1/04, 2004). В данном двигателе камеры подвода теплоты и отвода теплоты выполнены в виде отдельных выносных емкостей, что не обеспечивает компактности конструкции.
Изобретение направлено на упрощение конструкции и уменьшение массогабаритных характеристик двигателя с внешним подводом теплоты.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в двигателе с внешним подводом теплоты, содержащем цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель и средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм, согласно изобретению распределительный механизм размещен в головке цилиндра и выполнен в виде золотникового вытеснителя, включающего корпус с противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой кольцевым каналом.
Кроме того, градусная мера центрального угла окружности основания цилиндрического золотника, внутри которого расположена выемка, формирующая вытеснительную полость, меньше 180°, глубина - определяющий радиальный размер вытеснительной полости меньше ее длины - определяющего продольного размера, а объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры.
Размещение золотникового распределителя с цилиндрическим золотником в головке цилиндра и наличие на боковой поверхности цилиндрического золотника вытеснительной полости, которая в сочетании с кольцевым каналом, сообщающим ее с рабочей камерой при вращении цилиндрического золотника, попеременно взаимодействует с размещенными на корпусе золотникового вытеснителя средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником и выполняет при этом одновременно как функции распределителя, так и функции камеры подвода теплоты (расширения) или камеры отвода теплоты (сжатия), существенно упрощает конструкцию и уменьшает массогабаритные характеристики двигателя с внешним подводом теплоты. При этом заявленные соотношения геометрических параметров направлены на обеспечение оптимизации и эффективности протекания тепловых процессов в двигателе.
На Фиг.1 представлен общий вид двигателя; на Фиг.2 - продольный разрез I-I на Фиг.1.
Двигатель содержит один или несколько цилиндров 1 с поршнем 2, которые образуют рабочую камеру 3, размещенный в головке 4 цилиндра распределительный механизм, который выполнен в виде золотникового вытеснителя, включающего корпус 5, снабженный противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем 6 и отвода теплоты - холодильником 7, и вращающийся цилиндрический золотник 8 с выемкой 9 на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость 10, постоянно связанную с рабочей камерой 3 кольцевым каналом 11, и привод 12, обеспечивающий синхронное вращение цилиндрического золотника 8.
При этом градусная мера дуги АВ окружности основания цилиндрического золотника 8 (окружности, которая является направляющей цилиндрической поверхности золотника 8), внутри которой расположена выемка 9, формирующая вытеснительную полость 10 (или градусная мера центрального угла АОВ окружности основания цилиндрического золотника 8, внутри которого расположена выемка 9, формирующая вытеснительную полость 10), меньше 180°, глубина - определяющий радиальный размер «а» вытеснительной полости 10 меньше ее определяющего поперечного размера «в» и меньше ее длины - определяющего продольного размера «с» (а<в; а<с), а объем вытеснительной полости 10 меньше объема рабочей камеры 3.
Двигатель с внешним подводом теплоты работает следующим образом.
При движении поршня 2 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) вытеснительная полость 10 цилиндрического золотника 8 находится в зоне размещения средства отвода теплоты - холодильника 7. При этом происходит вытеснение газообразного рабочего тела из рабочей камеры 3 по кольцевому каналу 11 в вытеснительную полость 10 и сжатие рабочего тела с отводом теплоты (охлаждением) в вытеснительной полости 10 к холодному источнику, выполненному в виде средства отвода теплоты - холодильника 7. Вытеснительная полость 10 выполняет роль камеры отвода теплоты (сжатия).
При движении поршня 2 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) вытеснительная полость 10 цилиндрического золотника 8 находится в зоне размещения средства подвода теплоты - нагревателя 6. При этом происходит подвод теплоты к рабочему телу от горячего источника, выполненному в виде средства подвода теплоты - нагревателя 6, перемещение по кольцевому каналу 11 в рабочую камеру 3 и расширение рабочего тела в рабочей камере 3 с совершением работы. Вытеснительная полость 10 выполняет роль камеры подвода теплоты (расширения).
Синхронное перемещение вытеснительной полости 10 вращающегося цилиндрического золотника 8 при возвратно-поступательном движении поршня 2 в цилиндре 1 обеспечивает привод 12, связанный с коленчатым валом 13.
1. Двигатель с внешним подводом теплоты, содержащий цилиндр с поршнем, которые образуют рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель и средство отвода теплоты - холодильник, и распределительный механизм, отличающийся тем, что распределительный механизм размещен в головке цилиндра и выполнен в виде золотникового вытеснителя, включающего корпус с противоположно размещенными средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником, в котором установлен вращающийся цилиндрический золотник с выемкой на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой кольцевым каналом.
2. Двигатель с внешним подводом теплоты по п.1, отличающийся тем, что градусная мера центрального угла окружности основания цилиндрического золотника, внутри которого расположена выемка, формирующая вытеснительную полость, меньше 180°, глубина - определяющий радиальный размер вытеснительной полости меньше ее длины - определяющего продольного размера, а объем вытеснительной полости меньше объема рабочей камеры.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к энергетике. Двигатель с подводом теплоты содержит цилиндр с головкой и поршнем, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками. Головка и поршень образуют рабочую камеру. Золотники имеют выемки на части боковой поверхности и формируют вытеснительные полости. Вытеснительные полости связаны с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами. Нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра. Холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра. Золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра. Изобретение направлено на уменьшение габаритов и увеличение удельной мощности двигателя с подводом теплоты. 13 з.п. ф-лы, 2 ил. 
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области энергетики, а именно к тепловым двигателям объемного вытеснения с внешним подводом теплоты.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известно устройство, принятое за прототип, «Двигатель с внешним подводом теплоты» (RU 2343300 С2, F02G 1/04, 2009). Это устройство, содержащее цилиндр с поршнем, нагреватель, холодильник и распределительный механизм, размещенный в головке цилиндра и выполненный в виде золотникового вытеснителя с вращающимся цилиндрическим золотником, имеющим выемку на части боковой поверхности, формирующей вытеснительную полость, связанную с рабочей камерой кольцевым каналом, имеет недостатки, выражающиеся в низкой удельной мощности, обусловленной недостаточной теплообменной площадью внутренних поверхностей нагревателя и холодильника и значительными утечками теплоты в местах контактов нагревателя и холодильника, а также пространственной габаритностью, обусловленной размещением распределителя в головке цилиндра.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является повышение площадей теплообмена и их взаимное термическое разграничение в двигателе с подводом теплоты.
Решение задачи обеспечивается тем, что в двигателе с подводом теплоты, содержащем цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками, имеющими выемки на части боковой поверхности, формирующими вытеснительные полости, связанные с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами, согласно изобретению нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра.
Увеличение количества золотников, размещение распределителя с золотниками не в головке, а между рубашками цилиндра (нагревателем и холодильником) и наличие на боковой поверхности каждого цилиндрического золотника вытеснительной полости, которая в сочетании с кольцевым каналом и газоходным каналом-соплом, сообщающим ее с рабочей камерой при вращении цилиндрического золотника, попеременно взаимодействует со средствами подвода теплоты - нагревателем и отвода теплоты - холодильником и выполняет при этом одновременно как функции распределителя, так и функции камеры подвода теплоты (расширения) или камеры отвода теплоты (сжатия), существенно увеличивает площади теплообмена и удельную мощность, уменьшает габаритные характеристики двигателя с подводом теплоты.
Перечень фигур чертежей
На Фиг. 1 представлен общий вид двигателя с подводом теплоты в продольном сечении ВОС; на Фиг. 2 - части поперечных разрезов Е-Е, D-D и вида А на Фиг. 1.
Двигатель содержит цилиндр, внутренней рубашкой которого является нагреватель 1, конструктивно объединенный с головкой 2, и поршень 3, образующие рабочую камеру 4, холодильник 5, являющийся внешней рубашкой цилиндра, цилиндрические золотники 6, каждый из которых имееет вытеснительную полость 7 с кольцевым каналом 8, газоходные каналы-сопла 9 и привод золотников 10.
Двигатель с подводом теплоты работает следующим образом.
При движении поршня 3 от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ) вытеснительная полость 7 цилиндрического золотника 6 находится в зоне размещения средства отвода теплоты - холодильника 5. При этом происходит вытеснение газообразного рабочего тела из рабочей камеры 4 по газоходному каналу-соплу 9 и кольцевому каналу 8 в вытеснительную полость 7 и сжатие рабочего тела с отводом теплоты (охлаждением) в вытеснительной полости 7 к холодному источнику, выполненному в виде средства отвода теплоты - холодильника 5. Вытеснительная полость 7 выполняет роль камеры отвода теплоты (сжатия).
При движении поршня 3 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) вытеснительная полость 7 цилиндрического золотника 6 находится в зоне размещения средства подвода теплоты - нагревателя 1. При этом происходит подвод теплоты к рабочему телу от горячего источника, выполненного в виде средства подвода теплоты - нагревателя 1, перемещение по кольцевому каналу 8 и газоходному каналу-соплу 9 в рабочую камеру 4 и расширение рабочего тела в рабочей камере 4 с совершением работы. Вытеснительная полость 7 выполняет роль камеры подвода теплоты (расширения). В этом такте рабочий газ при расширении отбирает теплоту и от поверхности головки 2 и от поверхности нагревателя 1 изнутри рабочей камеры.
Синхронное перемещение вытеснительных полостей 7 вращающихся цилиндрических золотников 6 при возвратно-поступательном движении поршня 3 в рабочей камере 4 обеспечивает привод 10, связанный с коленчатым валом 11.
В двигателе с подводом теплоты внутренняя рубашка цилиндра, каковой является нагреватель 1, и коаксиально посаженная на нее внешняя рубашка цилиндра, каковой является холодильник 5, в местах сопряжений, согласно изобретению разделены щелью 12 или теплоизолятором 13, что термически разграничивает нагреватель от холодильника, уменьшая перетоки теплоты, при этом наличие щелей способствует еще и взаимному ускоренному выравниванию давлений рабочего газа в вытеснительных полостях 7 цилиндрических золотников 6.
В двигателе с подводом теплоты газоходные каналы-сопла 9, соединяющие вытеснительные полости 7 с рабочей камерой, согласно изобретению проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра (нагревателя 1) в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра, что уменьшает паразитный мертвый объем рабочей камеры 4, увеличивая удельную мощность.
В двигателе с подводом теплоты газоходные каналы-сопла 9 согласно изобретению имеют тангенциальное направление входа в рабочую камеру 4, что способствует улучшению теплообмена за счет вихревого ометания внутренней поверхности нагревателя 1, а также способствует полезному снижению температуры в зоне трения юбки поршня 3 о стенку цилиндра.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению головка 2 и внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 дополнительно образуют смежную, через головку 2, с рабочей камерой 4 камеру 14 сгорания и теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки 15 топливной горючей смеси и размещения теплоаккумулирующего вещества.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению камера 14 сгорания имеет примыкающие к головке 2 и к стенке внутренней рубашки цилиндра - нагревателю 1, теплообменные ребра 16, в том числе и ребра, плоскости симметрии которых проходят через оси цилиндрических золотников 6 (с целью увеличения теплопередачи от горелки 15 к нагревателю 1 и уменьшения теплоперетока в зонах сопряжения внутренней рубашки цилиндра - нагревателя 1 и внешней рубашки цилиндра - холодильника 5).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления 17 для измерения и контроля на их дне температуры нагревателя с помощью сетки контактных термодатчиков 18 (во избежание местных перегревов, так называемых «красных пятен», и «прогара» материала нагревателя).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 через головку 2 соединена с тепловой трубой 19 (для внешнего подвода к нагревателю 1 концентрированной лучистой энергии солнца, высокотемпературной теплоты ядерных реакторов, теплоты радиоизотопных ТВЭЛов).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению внутренняя рубашка цилиндра - нагреватель 1 и головка 2 соединены с теплоэлектронагревателем (ТЭН) 20 для внешнего подвода теплоты к нагревателю посредством электрической энергии (в том числе с нестабильными формой, напряжением и частотой).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению камера сгорания нагревателя частично заполнена теплоаккумулятором - легкоплавким теплоаккумулирующим веществом 21, например расплавом солей или металлов (эвтектикой), для терморегулирования и термостабилизации, а также теплопитания двигателя расплавом.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени 22 (для увеличения поверхности теплообмена головки 2).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению цилиндрические золотники 6 на противоположных по своим осям концах выемок, формирующих вытеснительные полости 7, имеют проточки 23 (для более активного движения рабочего газа через поперечное сечение вытеснительной полости и для выравнивания температур на концах цилиндрических золотников 6 в зонах сопряжения: горячая внутренняя рубашка-золотник-холодная внешняя рубашка цилиндра).
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в качестве рабочего газа используется моногаз или смесь газов.
В двигателе с подводом теплоты согласно изобретению в качестве рабочего газа используется метан или смесь углеводородных или углеродсодержащих газов, т.е. газов, используемых, в том числе, для приготовления горючей топливной смеси, сжигаемой в камере сгорания, или специально разработанных рабочих газов (рабочих тел).
Для уменьшения утечек рабочего газа используются компрессионные кольца 24 как для уплотнения сопряжений рабочего поршня, так и для уплотнения сопряжений концевых участков цилиндрических золотников со стенками цилиндров их полостей.
Для уменьшения тепловых потерь при движении рабочего газа по кольцевым каналам 8 применяется теплоизоляционное покрытие 25 стенок каналов.
Для управления мощностью двигателя с подводом теплоты используется изменение фазового соотношения между фазой вращающегося коленчатого вала 11 и фазой синхронно вращающихся цилиндрических золотников 6 управляемым круговым поворотом центрального колеса в планетарном редукторе 26, соединяющим ось коленвала 11 с осью привода 10 синхронного вращения золотников, по аналогии с «управлением стерлингами» [Г. Уокер ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА Перевод с английского Б.В. СУТУГИНА и Н.В. СУТУГИНА, МОСКВА, МАШИНОСТРОЕНИЕ, 1985, стр. 201].
Для наполнения рабочей камеры двигателя рабочим газом из резервуара-хранилища используется впускной вентиль 27 и впускной обратный клапан 28.
Для вытеснения рабочего газа в резервуар-хранилище (при длительных перерывах в работе двигателя) используется выпускной вентиль 29 и выпускной обратный клапан 30.
При отсутствии подвода теплоты к нагревателю и принудительном вращении коленчатого вала устройство осуществляет отбор теплоты у нагревателя с передачей в холодильник (для целей сверхнизкой криогенной техники). При изменении фазового угла цилиндрических золотников на 180 градусов относительно «фазы» коленчатого вала отбор теплоты будет происходить от холодильника с передачей теплоты нагревателю.
Благодаря использованию планетарного редуктора 26 двигатель может осуществлять торможение (и реверс) вращающегося коленчатого вала с рекуперацией механической энергии и последующим использованием этой энергии для «разгона» после старта, а также быть трансформированным в холодильную установку или тепловой насос (в полной аналогии с тепловыми машинами, именуемыми СТИРЛИНГАМИ с тем лишь отличием, что математическая модель для проектирования двигателей с подводом теплоты, имеющих цилиндрический золотниковый распределитель, предположительно должна быть намного проще, ибо в этих тепловых машинах объем вытеснительных полостей является величиной постоянной, а у стирлингов - переменный, чем и вызвана чрезвычайная сложность проектирования стирлингов, усугубляющаяся наличием в стирлингах высокого начального давления рабочего газа и регенераторов теплоты).
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов и увеличение удельной мощности двигателя с подводом теплоты.
1. Двигатель с подводом теплоты, содержащий цилиндр с головкой и поршнем, образующими рабочую камеру, средство подвода теплоты - нагреватель, средство отвода теплоты - холодильник и распределительный механизм с цилиндрическими золотниками, имеющими выемки на части боковой поверхности, формирующими вытеснительные полости, связанные с рабочей камерой кольцевыми каналами и газоходными каналами-соплами, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра, конструктивно объединенной с головкой цилиндра, а холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, золотники распределительного механизма имеют привод синхронного вращения и размещены равномерно по окружности в цилиндрических полуполостях, образованных выемками на внутренней рубашке цилиндра и внешней рубашке цилиндра, между внутренней и коаксиально посаженной на нее внешней рубашками цилиндра.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра и внешняя рубашка цилиндра в местах сопряжений разделены щелью или теплоизолятором.
3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что каналы-сопла, соединяющие вытеснительные полости с рабочей камерой, проходят сквозь тело боковой стенки внутренней рубашки цилиндра в зоне сопряжения головка-стенка цилиндра.
4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что газоходные каналы-сопла имеют тангенциальное направление входа в рабочую камеру.
5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка и внутренняя рубашка цилиндра дополнительно образуют смежную, через головку, с рабочей камерой камеру сгорания и теплоаккумулирования для сжигания с помощью горелки топливной горючей смеси и размещения теплоаккумулирующего вещества.
6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что камера сгорания нагревателя частично заполнена теплоаккумулирующим веществом.
7. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что камера сгорания имеет примыкающие к головке и к стенке внутренней рубашки теплообменные ребра, в том числе и ребра, плоскости симметрии которых проходят через оси цилиндрических золотников.
8. Двигатель по п. 7, отличающийся тем, что в местах примыкания ребер и между ними в теле внутренней рубашки цилиндра расположены узкие углубления.
9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра через головку соединена с тепловой трубой.
10. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя рубашка цилиндра и головка соединены с теплоэлектронагревателем.
11. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что головка имеет на внутренней поверхности концентрические ступени.
12. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрические золотники на концах выемок, формирующих вытеснительные полости, имеют проточки.
13. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используется моногаз или смесь газов.
14. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используется метан или смесь углеводородных или углеродсодержащих газов.
www.freepatent.ru
Изобретение относится к роторным двигателям внутреннего сгорания. Способ работы роторного двигателя включает процессы преобразования потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую энергию с последующей передачей кинетической энергии на вал отбора мощности посредством поршней. Поршни непрерывно вращаются с разными угловыми скоростями по круговой траектории в замкнутом объеме рабочей камеры, осуществляя последовательно такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. После окончания сжатия один поршень догоняет другой примерно за 15° до точки отсчета, в качестве которой принято место положения свечи зажигания. Далее поршни совершают совместное движение, проходя участок запальной камеры, равный примерно 30°, на замедленной скорости. Смесь возгорается и расширяется, вследствие чего один поршень получает ускорение и отрывается от другого поршня, обеспечивая такт рабочего хода. Двигатель содержит корпус, разделенный на камеру привода и роторную камеру перегородкой. Поршни смонтированы на валу и на втулке ротора. В одной из крышек корпуса закреплена букса. За одно с буксой выполнено солнечное колесо. В отверстии буксы установлен вал отбора мощности с водилом. Сателлитные шестерни закреплены на установленных на водиле кривошипах с эксцентриками. На диске, жестко связанном с водилом, установлены эксцентрики дополнительных кривошипов, связанные с эксцентриками кривошипов водила посредством осей. На осях установлены шатуны, шарнирно связанные посредством серьг с валом и втулкой ротора. Техническим результатом является повышение надежности и КПД двигателя. 2 н.п. ф-лы, 7 ил. 
Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания.
Известен способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания Ванкеля, включающий преобразование потенциальной энергии газообразного рабочего тела высокого давления в кинематическую энергию движущихся рабочих элементов (ротора) в замкнутом объеме рабочей камеры, ограниченном поверхностями неподвижного корпуса и подвижного ротора четырехтактными циклами в соответствующих полостях и передачи энергии на вал отбора мощности. Такой способ реализован в роторно-поршневом двигателе Ванкеля, который содержит корпус, имеющий рабочую полость, выполненную по эпитрохонде; вал отбора мощности - эксцентриковый вал, с которого снимается мощность, и свободно установленный на этот вал треугольный ротор с выпуклыми сторонами. В корпусе имеются впускные и выпускные окна, установлена свеча зажигания или форсунка. Ротор совершает круговое движение и одновременно вращается вокруг оси благодаря зубчатому колесу с внутренними зубьями, которое находится в зацеплении с неподвижным зубчатым колесом, расположенным соосно с эксцентриковым валом. Движение ротора планетарное, и за каждый оборот ротора эксцентриковый вал делает три оборота. Вследствие планетарного движения ротора между ротором и корпусом образуются три изолированные полости и их объем за один оборот ротора дважды увеличивается и дважды уменьшается. Это позволяет в каждой из полостей за один оборот ротора последовательно осуществлять процессы впуска, сжатия, сгорания и расширения (рабочий ход), выпуска, составляющие четырехтактный цикл, или за три оборота эксцентрикового вала отбора мощности (Богданов С.Н. и др. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1987, стр.356-358, рис.199).
Однако способ и двигатель Ванкеля имеют недостаток в той части, что несмотря на достигнутое в 2-3 раза уменьшение массы и габаритов основные мощностные характеристики для этих параметров сохранились на уровне обычных двигателей внутреннего сгорания. Его высокая трудоемкость из-за сложного профиля цилиндра и ротора снижают его достоинства (http://www.rotor-motor.ru/page03.htm).
Наиболее близким аналогом для способа, принятым за прототип, является роторный двигатель по патенту RU 2343290 С2, F01C 1/07, 10.01.2009 г., который работает по способу, признаки которого частично содержатся в заявленном и материализованному в роторном двигателе по заявленному изобретению.
Известный способ работы роторного двигателя включает преобразование потенциальной энергии газообразного рабочего тела высокого давления в кинетическую энергию движущихся рабочих элементов в замкнутом объеме рабочей камеры с последующей передачей упомянутой кинетической энергии на вал отбора мощности, при этом кинетическую энергию образуют посредством прерывистого вращения рабочих элементов, например поршней, по круговой траектории с разными угловыми скоростями, осуществляя последовательно такты впуска, сжатия, рабочего входа и выпуска.
Этот способ материализован в роторном двигателе с рабочим цилиндром тороидального профиля, со сквозным непрерывным окружным пазом и стенками, сложной системой уплотнений, что делает его нетехнологичным в изготовлении и дорогим. Другим недостатком является то, что поршни вращаются прерывисто и не непрерывно по круговой траектории в одном направлении. Это обусловлено тем, что в момент воспламенения смеси, а он совпадает, когда сжатая до максимума горючая смесь подается к свече зажигания, находящейся в зоне мертвой точки, и расширяющиеся газы поворачивают одну пару поршней по часовой стрелке, а другую против и останавливая ее. Таким образом нарушен процесс непрерывности преобразования энергии рабочего тела в механическую. Требуются затраты вырабатываемой энергии на разгон маховиков, чтобы преодолеть мгновенную остановку поршней. Это снижает КПД двигателя примерно на 30-40%. Двигатель будет работать с рывками, что приводит к более быстрому износу зубчатых передач и разбалтыванию его рычажной системы, созданию вибрации и повышенного шума (пат. RU 2343290 С2).
Этот недостаток роторных двигателей по этой причине отмечен в статье «Роторные двигатели» в Интернете (http://www.rotor-motor.ru/page03.htm, стр.1, абзац 2).
Известен роторный двигатель, который содержит роторную и приводную камеры, которая выполнена в виде полого цилиндра с двумя парами поршней, выполненных в виде кольцевых секторов, связанных с телескопическим ротором. В его приводной камере размещен механизм преобразования движения поршней в энергию вращения вала отбора мощности, выполненный в виде пары рычагов, соединенных с телескопическим ротором, и кулисы. Последняя шарнирно установлена на валу отбора мощности. Рычаги имеют на концах ролики, взаимодействующие с дорожками кулисы. Кулиса также имеет ролики, которыми она опирается на торцевой кольцевой копир с участками высокого и низкого профиля (авт. свид. SU 1318704 A1, F02B 55/00, 1987).
Данный механизм не может обеспечить четкое выполнение тактов работы двигателя во времени. Так, при повороте кулисы от кольцевого копира с высокого на низкий участки или наоборот возникает нейтральное положение позиции 18, когда ролики не контактируют с дорожками кулисы. В этом переходном положении поршни зависают, т.е. они могут остановиться, пойти назад или вперед. Когда в конце переходного положения кулиса переходит за счет остаточной инерции механизма с максимума на минимум профиля копира или наоборот, происходит удар кулисы по роликам, нарушая ритм движения поршней, такты «растягиваются» или «сжимаются». Нарушается равномерность, возникает неравномерное вращение, сопровождающееся ударной нагрузкой. Кроме того, ролики с кулачковыми дорожками контактируют с трением скольжения при высоких контактных нагрузках, которые приводят к нагреву элементы ролик-кулак, система расширяется, а отсутствие системы компенсаторов приведет к заклиниванию звена ролики 12 и 14 с беговой дорожкой кулисы 18, фиг.3. Это приведет к остановке двигателя и возможной поломке. Практически эта схема неработоспособна.
Наиболее близким к заявленному изобретению на роторный двигатель по своей технической сущности является роторный двигатель, в котором функционально совпадают происходящие термодинамические процессы в четырехтактном режиме, имеется максимальное количество конструктивных признаков, совпадающих по их функциональному назначению (пат. US 1676211 A, F01C 1/00, 1928).
Роторный двигатель содержит корпус, включающий роторную и привода камеры, смонтированный в корпусе телескопический ротор, выполненный в виде втулки и размещенного в ней вала, вал отбора мощности, планетарную передачу, установленные в роторной камере четыре поршня с возможностью их вращения с телескопическим ротором относительно оси двигателя, свечу зажигания и кривошипно-шатунные механизмы, кинематически связанные с планетарной передачей и валом отбора мощности. Роторная камера выполнена в виде полого тороидального цилиндра, состоящего из двух половин со сквозным непрерывным окружным пазом и состыкованных болтовым соединением. В корпусе имеются сопла всасывания горючей смеси и выхлопа газов. К основному недостатку двигателя необходимо отнести нетехнологичность тороидальной роторной камеры, сложность ее изготовления и уплотнения поршней в камере.
Кроме того, положение кривошипов, находящихся в противофазе, соответствует их одновременному положению в двух мертвых точках, создаваемых механизмом. В этот момент происходит их затормаживание и скорость вращения падает до нуля. Чтобы этого не произошло, создаются инерционные силы путем дополнительной установки маховиков на коленчатых валах. Для их постоянного разгона используется часть вырабатываемой двигателем энергии, снижая тем самым его КПД. Кроме того, сдвиг с мертвой точки кривошипно-шатунных механизмов создает в работе двигателя микротолчки, приводящие к преждевременному износу его деталей, вибрации и усилению шума.
Еще одним недостатком является наличие большой инерционной массы маховиков в составе камеры привода, выполняющей функции механизма периодического изменения скоростей, что влечет к увеличению габаритов,
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа работы роторного двигателя и на его основе самого двигателя, который обеспечивал бы непрерывность вращения рабочих элементов в одном направлении, например поршней, по круговой траектории, и за счет этого добиться упрощения конструкции, повышения надежности и КПД двигателя.
Данная задача решается способом работы роторного двигателя, включающем процессы преобразования потенциальной энергии газообразного рабочего тела высокого давления в кинетическую энергию с последующей передачей кинетической энергии на вал отбора мощности посредством попарно и оппозитно расположенных с угловым смещением поршней, вращающихся с разными угловыми скоростями по круговой траектории в замкнутом объеме рабочей камеры, осуществляя последовательно такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Согласно изобретению в рабочей камере поршни вращаются непрерывно, после окончания сжатия один поршень догоняет другой примерно за 15° до точки отсчета, в качестве которой принято место положение свечи зажигания, далее поршни совершают совместное движение, проходя участок запальной камеры, равный примерно 30°, на замедленной скорости, смесь возгорается и расширяется, вследствие чего один поршень получает ускорение и отрывается от другого поршня, обеспечивая такт рабочего хода.
Таким образом, способ закладывает программу его материализации в кинематике работы механизмов, обеспечивающих непрерывность и плавность процессов, создающих такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выхлопа, исключая негативные явления мертвых точек в механизмах двигателя.
Заявленный способ материализован в роторном двигателе, содержащем корпус, смонтированный в корпусе телескопический ротор, выполненный в виде вала с втулкой на нем, поршни, смонтированные на валу и на втулке, оппозитно расположенные попарно с угловым смещением и выполненные с возможностью непрерывного вращения по круговой траектории с разными угловыми скоростями, свечу зажигания, планетарный механизм, кинематически связанный с валом отбора мощности и с ротором, сопла всасывания горючей смеси и выхлопа газов, корпус разделен на камеру привода и роторную камеру перегородкой.
Отличительной особенностью двигателя является то, что двигатель включает сапун для удаления газов из роторной камеры, роторная камера армирована гильзой, имеющей цилиндрический профиль, и проставками, поршни выполнены в виде кольцевых секторов, корпус закрыт крышками, в одной из которых закреплена букса, за одно с которой выполнено солнечное колесо планетарного механизма, в отверстии буксы на подшипниках установлен вал отбора мощности с жестко закрепленным на нем водилом, сателлитные шестерни, зацепляющиеся с солнечным колесом, закреплены на концентрично расположенных и подвижно установленных на водиле кривошипах с эксцентриками, двигатель включает жестко связанный с водилом, подвижно установленный на втулке ротора и опирающийся на подшипник, размещенный в перегородке, диск, на котором подвижно установлены концентрично расположенные эксцентрики дополнительных кривошипов, связанные с эксцентриками кривошипов водила посредством осей, на которых установлены шатуны, шарнирно связанные посредством серьг с валом и втулкой ротора.
В целом это обеспечивает непрерывность движения поршней в одном направлении по круговой траектории без толчков и потери вырабатываемой мощности, повышает плавность работы двигателя без вибрации, его надежность и КПД.
Способ и устройство поясняются чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез двигателя; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1 с показом кривошипно-шатунного механизма; на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1 с показом планетарного механизма; на фиг.4 показано положение I поршней в начальный момент перед запуском двигателя; на фиг.5 - положение II поршней в момент их сближения по завершении такта сжатия; на фиг.6 показано положение III поршней в момент возгорания сжатой смеси; на фиг.7 - положение IV поршней перед началом рабочего хода в момент ускорения переднего поршня.
Способ осуществляется следующим образом.
На фиг.4 представлено условное исходное положение ротора, например крестообразно попарно оппозитно расположенных поршней 1, 3 и 2, 4 в камере, образованной поверхностями неподвижного корпуса и подвижными элементами ротора, состоящего из вала и свободно вращающейся на нем втулки. Поршни попарно оппозитно закреплены на валу и втулке ротора с возможностью вращения веерообразно с разными угловыми скоростями. Воспламенение осуществляется от запальной камеры с постоянным искрением свечи. В таком положении открыты окна всасывания и выхлопа. На фиг.4 показано, что поршни в замкнутом пространстве образуют полости всасывания - Г, сжатия - Д, рабочего хода - Е, выхлопа - Ж, при этом в ходе термодинамических процессов, происходящих в течение одного цикла, объемы их меняются. За точку отсчета процессов принимаем, как показано на фиг.6, место положение свечи зажигания. При помощи, например, стартера осуществляют разгон ротора с поршнями.
Рассмотрим процессы, происходящие в рабочих полостях при различных положениях ротора.
При положении I происходит всасывание смеси в полость Г, полость Д наполнена смесью, в запальной камере постоянно искрит свеча, полость Ж выхлопа открыта, поршни 1 и 3 заторможены, центр их совпадает с точкой 6 отсчета процессов, поршни 2 и 4 получают ускорение. В полости Д, объем которой стал минимальным, заканчивается процесс сжатия смеси и примерно за 15° до точки 6 отсчета процессов поршень 4 догоняет поршень 1 (положение II) и с некоторым технологическим зазором продолжают совместно двигаться еще примерно 15°, проходя запальную камеру 7 (Положение III). Смесь возгорается. Поршень 1 получает ускорение и отрывается от поршня 4, в полости Д начинается такт рабочего хода (положение IV).
В это же время оппозитно расположенный поршень 2, быстро двигаясь, выжимает из полости Ж газы, осуществляя такт выхлопа, и догоняет поршень 3, который обеспечивает всасывание в полость Г. Поршни 2 и 3 аналогично проходят зону между выхлопом и всасыванием. Поршень 3 перекрывает окно всасывания, получив ускорение осуществляет процесс сжатия. Поршень 2 подходит к окну всасывания.
К начальной позиции, положение I, ротор сделает один оборот, т.е. провернется на 360°, осуществив два четырехтактных цикла. Движение поршней напоминает веерное. Далее цикл повторяется.
В соответствии с цикловой диаграммой и кинематикой двигателя, передающей движение от поршней на вал отбора мощности (ВОМ), последний сделает один оборот за два оборота телескопического ротора 17 с поршнями 1, 2, 3 и 4.
Роторный двигатель включает оппозитно расположенные попарно с угловым смещением поршни 1, 2, 3 и 4, выполненные в виде кольцевых секторов, охладители 5, точку 6 начала и конца отсчета процессов, запальную камеру 7, рабочий цилиндр 8, корпус 9, разделенный на камеры привода 10 и роторную 11 перегородкой 12. Корпус 9 закрыт крышками 13 и 14. В крышке 13 закреплена букса 15, в которой на подшипниках смонтирован вал 16 отбора мощности (ВОМ). В корпусе 9 смонтирован телескопический ротор 17, состоящий из вала 18 и втулки 19, подвижно посаженной на вал 18, установленный на подшипниковых опорах 20 и 21. В роторной камере 11 на валу 18 жестко закреплена втулка 22, а на втулке 19 жестко закреплена втулка 23. Поршни 1 и 3 попарно и оппозитно жестко закреплены на втулке 22, например, винтами 24. Роторная камера 11 с поршнями 1, 2, 3 и 4 образуют рабочий цилиндр 8.
Поршни 2 и 4 попарно и оппозитно жестко закреплены на втулке 23, например, винтами 25. Камера 11 армирована гильзой 26, имеющей цилиндрический профиль, и проставками 27 и 28. Корпус 9 может быть цельным или составным, в котором камеры 10 и 11 соединяются посредством резьбового соединения 29. Опора 20 размещена в правой крышке 14, а опора 21 в подшипнике 30 ВОМ 16, находящегося в полости камеры привода 10, в которой смонтирован приводной механизм ВОМ 16. На левом конце вала 18 жестко закреплена серьга 31, а на втулке 19 серьга 32. В камере 10 смонтирован планетарный механизм 33, включающий солнечное колесо 34, выполненное как частный случай за одно с буксой 15, две сателлитные шестерни 35 и 36, установленные с возможностью обкатывания по солнечному колесу 34. На конце вала 16, расположенного в камере 10, жестко закреплено водило 37 планетарной передачи 33, в котором концентрично расположены отверстия, в которых на подшипниках установлены кривошипы 38 и 39 с эксцентриками 40 и 41, на концах кривошипов 38 и 39 соответственно установлены сателлитные шестерни 36 и 35. Планетарный механизм 33 связан с ротором через промежуточное звено, которое включает оппозитно водилу 37 смонтированный в камере 11 диск 42 со ступицей, подвижно установленный на втулке 19 и опирающийся на подшипник 43, размещенный в перегородке 12. В диске 42 имеются аналогично водилу 37 оппозитно расположенные отверстия, в которых на подшипниках установлены кривошипы 44 и 45 с эксцентриками 46 и 47. Водило 37 и диск 42 жестко связаны шпильками 48.
Эксцентрики 40 и 46, 41 и 47 попарно связаны мотылевыми шейками 49 и 49', на которых установлены шатуны 50 и 51 посредством осей 52 и 53, связанных соответственно серьгами 32 и 31. Кривошипы 38 и 44 с эксцентриками 40 и 46, связанные мотылевыми шейками 49 с шатуном 50, образуют один кривошипно-шатунный механизм 54. Кривошипы 39 и 45 с эксцентриками 41 и 47, связанные мотылевой шейкой 49' с шатуном 51, образуют другой кривошипно-шатунный механизм 55. Оба кривошипно-шатунных механизма связаны с телескопическим ротором через установленные на валу 18 со смещением серьги 31 и 32, создавая уравновешивающуюся систему (фиг.2). Кривошипно-шатунные механизмы с составным коленчатым валом в изобретении являются частным случаем исполнения, как вариант опытного образца, но кованые или литые коленвалы более прогрессивны.
Мотылевые шейки 49 и 49' кривошипно-шатунных механизмов смещены одна относительно другой на заданный угол опережения зажигания, устанавливаемый в зависимости от используемой горючей смести (фиг.2), которые исключают негативные явления, обуславливаемые наличием мертвых точек, присущих кривошипно-шатунным механизмам, как то: замедление движения поршней до нуля или их движение назад. При этом одна из мотылевых шеек 49 совпадает с вертикальной осью двигателя, а другая 49' смещена под некоторым углом к вертикальной оси двигателя (фиг.2). Оси 52 и 53, связывающие серьги 31 и 32 с шатунами 50 и 51, смещены относительно друг друга по обе стороны от горизонтальной оси двигателя (фиг.2). Это позволяет создать смещение такта начала рабочего хода относительно точки 6 начала отсчета процессов на заданный угол опережения зажигания, устанавливаемый в зависимости от используемой горючей смеси. При этом рабочий ход начинается после прохождения поршнем 1 мертвой точки, совпадающей с точкой 6, и дальнейшим ускоренным движением поршня 1, задающего вращение верхнему коленвалу. В это время нижний коленвал с опережением проходит нижнюю мертвую точку, не позволяя останавливаться поршням.
Для определения положения тактов по цикловой диаграмме, т.е. начала отсчета процессов и т.д., пространственного положения и взаимосвязи деталей и механизмов двигателя условно приняты геометрические, горизонтальные и вертикальные оси двигателя.
В корпусе 9 смонтированы свеча зажигания 56, сопло 57 всасывания горючей смеси и сопло 58 для выхлопа газов, а также сапун 59 для удаления газов из камеры 11, отверстие 60 для подачи воды в охладители 5.
В двигателе предусмотрена система смазки движущихся элементов, для этого в крышке 14 предусмотрено отверстие.
Двигатель работает следующим образом.
После разгона телескопического ротора 17 вместе с поршнями 1 и 3, 2 и 4 от внешнего источника, например стартера, через сопло 57 в полость Г подается рабочая смесь, полость Д уже заполнена рабочей смесью, в запальной камере постоянно искрит свеча, полость Ж выхлопа открыта, поршни 1 и 3, замедляя движение, пересекают запальную камеру, поршни 2 и 4 получают ускорение, смесь в полости Д сжимается, объем ее становится минимальным, заканчивается такт сжатия (положение I переходит в положение II, фиг.2 и 5).
Не доходя примерно 15° до точки 6 начала отсчета (положение II), когда поршень 4 догнал поршень 1, но не соприкасаясь, так чтобы между поршнями сохранялся некоторый технологический зазор, поршни 4 и 1 двигаются совместно, проходя следующий участок запальной камеры, равный примерно еще 30°, на замедленной скорости (положение III). Смесь возгорается и расширяется, вследствие этого поршень 1 получает ускорение и отрывается от поршня 4, полость Д занимает позицию полости Е и начинается рабочий ход (положение IV).
В это же время начинает синхронное совместно с поршнями 4 и 1 движение поршень 2, вытесняя отработавший газ в сопло выхлопа, перемещаясь в положение I, догоняет поршень 3 и они начинают передвигаться совместно.
За полоборота ротора осуществлен один рабочий такт и за следующие полоборота еще один рабочий такт. Поршни 1 и 3 передают вращение валу 18, поршни 2 и 4 втулке 19, вал 18 через серьгу 31, шатун 51, эксцентрики 41 и 40 через водило 37, а поршни 2 и 4 через серьгу 32, шатун 50, эксцентрики 46 и 47 через диск (водило) 42 приводят во вращение сателлитные шестерни 35 и 36, которые, откатываясь по солнечному колесу 34, задают скорость вращения валу отбора мощности 16. При передаточном отношении планетарного механизма 33, равном, например, 1:2, за два оборота ротора или за четыре такта ВОМ 16 сделает один оборот.
Далее цикл повторяется непрерывностью вращения ротора с поршнями.
Источники информации
1. С.Н.Богданов и другие. Автомобильные двигатели. М.: Машиностроение, 1987, стр.356-358.
2. Заявка RU № 95105837, F01C 1/06, 1995 г.
3. Заявка RU № 99126618, F01C 3/00, 1999 г.
4. Патент RU № 2105891, F02B 57/00, 1995 г.
5. Патент RU № 2189470, F02B 53/08, 2000 г.
6. Патент RU № 2298678, F02B 57/00, 2004 г.
7. Патент RU № 2343290 C2, F01C 1/07, 2009 г. - прототип.
8. Авт. свид. SU № 1318704 A1, F02B 55/00, 1987 г.
9. Патент US № 1676211 A, F01C 1/00, 1928 г. - прототип.
1. Способ работы роторного двигателя, включающий процессы преобразования потенциальной энергии газообразного рабочего тела высокого давления в кинетическую энергию с последующей передачей кинетической энергии на вал отбора мощности посредством попарно и оппозитно расположенных с угловым смещением поршней, вращающихся с разными угловыми скоростями по круговой траектории в замкнутом объеме рабочей камеры, осуществляя последовательно такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, отличающийся тем, что поршни вращаются непрерывно, после окончания сжатия один поршень догоняет другой примерно за 15° до точки отсчета, в качестве которой принято место положения свечи зажигания, далее поршни совершают совместное движение, проходя участок запальной камеры, равный примерно 30°, на замедленной скорости, смесь возгорается и расширяется, вследствие чего один поршень получает ускорение и отрывается от другого поршня, обеспечивая такт рабочего хода.
2. Роторный двигатель, содержащий корпус, смонтированный в корпусе телескопический ротор, выполненный в виде вала с втулкой на нем, поршни, смонтированные на валу и на втулке, оппозитно расположенные попарно с угловым смещением и выполненные с возможностью непрерывного вращения по круговой траектории с разными угловыми скоростями, свечу зажигания, планетарный механизм, кинематически связанный с валом отбора мощности и с ротором, сопла всасывания горючей смеси и выхлопа газов, корпус разделен на камеру привода и роторную камеру перегородкой, отличающийся тем, что двигатель включает сапун для удаления газов из роторной камеры, роторная камера армирована гильзой, имеющей цилиндрический профиль, и проставками, поршни выполнены в виде кольцевых секторов, корпус закрыт крышками, в одной из которых закреплена букса, за одно с которой выполнено солнечное колесо планетарного механизма, в отверстии буксы на подшипниках установлен вал отбора мощности с жестко закрепленным на нем водилом, сателлитные шестерни, зацепляющиеся с солнечным колесом, закреплены на концентрично расположенных и подвижно установленных на водиле кривошипах с эксцентриками, двигатель включает жестко связанный с водилом, подвижно установленный на втулке ротора и опирающийся на подшипник, размещенный в перегородке, диск, на котором подвижно установлены концентрично расположенные эксцентрики дополнительных кривошипов, связанные с эксцентриками кривошипов водила посредством осей, на которых установлены шатуны, шарнирно связанные посредством серы с валом и втулкой ротора.
www.freepatent.ru
