Свободнопоршневой двигатель

(71) Заявитель Комиссаров Феликс Давидович(72) Автор Комиссаров Феликс Давидович(73) Патентообладатель Комиссаров Феликс Давидович(57) 1. Свободнопоршневой двигатель, содержащий корпус, цилиндр, в головке которого последовательно размещены вытеснительный и рабочий поршни, имеющий полость расширения и полость сжатия, заполненные рабочим телом и выполняющие функции горячей и холодной полостей, которые сообщены между собой через нагреватель, регенератор и холодильник, буферную полость, причем вытеснительный поршень в нижней своей части имеет полый шток, подвижной посадкой входящий в буферную полость, выполняющую функцию газовой пружины, отличающийся тем, что в корпусе двигателя установлен ротор облегченной конструкции, на котором по его образующей закреплены спаренные 8109 1 2006.06.30 цилиндры головками вверх, в которых попарно размещены рабочие и вытеснительные поршни основаниями друг к другу, имеющие на нижней торцевой части полые штоки,способные входить один в другой, при этом масса штоков одинакова, полости расширения расположены в верхней и нижней частях цилиндров, а полость сжатия расположена в средней части цилиндров между основаниями поршней, а открытый полый нагреватель сообщен с каждой спаренной головкой цилиндров через распределитель направления потока рабочего тела и дозатор, причем нагреватель расположен в выполняющей функцию регенератора центробежной тепловой трубе, соединенной с ротором двигателя и связанной с холодильником, а центробежная тепловая труба имеет конденсатор, внутри которого расположен нагреватель рабочего тела. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочий и вытеснительный поршни выполнены из тяжелого материала, не проводящего тепло. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что при совмещении штоков рабочего и вытеснительного поршней их общая длина всегда равна радиусу ротора. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочий и вытеснительный поршни имеют одинаковую геометрическую форму и выполнены из одного и того же материала. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя и рабочего тела при диапазоне температур ниже 230 С могут быть использованы вода, спирт, аммиак,ацетон, 24, фреоны, жидкий кислород, азот, водород, 2. Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам преобразования тепловой энергии в механическую работу в процессе осуществления пароконденсационного термодинамического цикла в камере переменного объема с подвижной стенкой, и может быть использовано для привода различных машин и механизмов или установлено на общем валу с электрогенератором. Известны двигатели внутреннего сгорания, в которых преобразование возвратнопоступательного движения поршней во вращательное движение вала осуществляется бесшатунным силовым механизмом. Бесшатунный механизм позволяет конструктивно просто осуществлять при малых габаритах и высокой быстроходности двигателей двусторонний рабочий процесс в цилиндрах и получать вследствие этого почти удвоенную литровую и габаритные мощности. При бесшатунном механизме полностью исключается трение поршней о стенки цилиндров и значительно снижаются нагрузки и трение в кинематических парах механизма на единицу развиваемой мощности, а рабочий вал разгружен от крутильных колебаний. Поршни каждой пары цилиндров, расположенные соосно по обе стороны картера, соединены общим штоком. В средней части штоков имеются ползуны, скользящие по направляющим, расположенным в картере. Ползуны шарнирно связаны с точками А и В промежуточного звена АСВ, точка С которого, также шарнирно,соединена с кривошипом ОС, вращающимся вокруг оси О. Направляющие и промежуточное звено АСВ обеспечивают прямолинейное возвратно-поступательное движение штоков и связанных с ними поршней строго по осям - и Х-Х соответствующих цилиндров. Поршни и цилиндры при этом не касаются один другого и полностью освобождены от боковых сил при работе двигателя. Для осуществления беспрепятственного движения штоков по направляющим осей - и Х-Х цилиндры, расположенные по этим осям, смещены одни относительно других на некоторое расстояние в направлении продольной оси двигателя, однако и при этом механизм остается плоским, так как все его точки перемещаются в параллельных плоскостях. При бесшатунном механизме отдельные цилиндры или цилиндровые блоки можно располагать в поперечной плоскости двигателей с различными углами между их осями. Все построенные бесшатунные двигатели имеют по сравнению с аналогичными кривошипно-шатунными двигателями равной мощности в несколько раз меньшие габариты, значительно большую литровую мощность, меньший удельный расход топлива, меньшую удельную массу конструкции и увеличенный моторесурс 1, 2. 2 8109 1 2006.06.30 Устройство работает следующим образом. В двигателях внутреннего сгорания процессы сжигания топлива, выделения теплоты и преобразования части теплоты в механическую энергию происходят непосредственно внутри рабочего цилиндра двигателя. Топливо и воздух, необходимые для сгорания, вводятся в закрытое пространство цилиндра двигателя, образованное днищем крышки, стенками цилиндра и поршнем. Образующиеся при сгорании газы, которые имеют высокую температуру, создают давление на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршней посредством штока, соединяющего два противоположно расположенных поршня, передается ползунам,скользящим по направляющим и шарнирно связанным с точками А и В промежуточного звена АСВ, точка С которого, также шарнирно, соединена с кривошипами ОС, вращающимися вокруг оси О, на которой насажена шестерня, передающая усилие другой шестерне, насаженной непосредственно на соединительный вал, который передает крутящий момент от свободного кривошипа к кривошипу, непосредственно связанному с потребителем мощности двигателя. К недостаткам устройства двигателя следует отнести 1) наличие большого числа деталей в конструкции бесшатунного двигателя внутреннего сгорания, как, например ползунов, направляющих ползунов, промежуточного звена , коленчатого вала,свободного кривошипа и кривошипа, непосредственно связанного с потребителем мощности двигателя, шестерен подвижных и неподвижных, которые участвуют в передаче механической энергии валу. Такая передача механической энергии приводит к большим затратам ее на преодоление сил трения деталей этого механизма 2) в двигателях с двусторонним процессом сложно осуществить параллельный подвод охлаждающего масла ко всем поршням и обеспечить одинаковые условия их охлаждения, а также смазку поршневых колец и стенок цилиндров. Еще сложнее организовать отвод из поршней нагретого масла по автономным каналам таким образом, чтобы оно не попадало в подшипники механизма и имело минимальную утечку в картер. Известны дизель-компрессоры со свободно движущимися поршнями. Двигатель содержит цилиндр с форсункой и с продувочными окнами, в котором размещены два рабочих поршня, по обе стороны которого находятся цилиндры компрессора и цилиндры буферных полостей. С рабочими поршнями соединены поршни компрессора и поршни буферных цилиндров. В каждом цилиндре компрессора расположено несколько клапанов впуска и выпуска воздуха из под поршней компрессора. Рабочие поршни соединены между собой механизмом синхронизации, состоящим из зубчатых реек и зубчатых шестерен,или имеют шатунно-шарнирный механизм синхронизации. Имеется продувочный ресивер и ресивер, предназначенный для технического использования 3. Двигатели со свободно движущимися поршнями работают в основном с воспламенением от сжатия. Пуск свободнопоршневого двигателя осуществляется сжатым воздухом. При подготовке двигателя к пуску поршни разводятся в крайние положения при помощи поворота синхронизирующей шестерни. Поворот шестерни производится рукояткой, надеваемой на конец вала. В крайних положениях поршни удерживаются защелкой, укрепленной на корпусе двигателя. При подаче сжатого воздуха к цилиндрам компрессора до давления 25 кг/см 2 защелка автоматически убирается, а поршни под давлением воздуха резко сближаются, осуществляя ход сжатия, и двигатель начинает работать. Рабочим ходом этого двигателя принято называть ход, при котором поршни расходятся. При рабочем ходе поршней в цилиндрах компрессора воздух сжимается. В начале открываются клапаны, перепускающие сжатый воздух в продувочный ресивер цилиндра двигателя. При дальнейшем ходе поршней открываются клапаны, перепускающие воздух в особый ресивер для технического использования. В это время в буферных полостях сжимается воздух,энергия которого в дальнейшем используется для обратного хода поршневого комплекта и сжатия воздуха в цилиндре двигателя. При обратном ходе поршней происходит засасывание воздуха в полость компрессора из атмосферы через клапаны, открывающиеся во 3 8109 1 2006.06.30 внутрь и расположенные на входе цилиндров. При обратном ходе поршней в цилиндре двигателя происходит сжатие воздуха, поступающего в цилиндр через окна из продувочного ресивера. В конце процесса сжатия в воздух через форсунку впрыскивается жидкое топливо, которое воспламеняется, и происходит рабочий ход. В конце рабочего хода один из поршней открывает выпускные окна, через которые отработавшие газы выходят наружу. Другой поршень несколько позднее открывает продувочные окна. Таким образом осуществляется двухтактный процесс с прямоточной продувкой. Поршни двигателя связаны между собой специальным механизмом, синхронизирующим движение, что необходимо для организации рабочего цикла. К ним относятся шатунно-шарнирный и реечношестеренчатый, которые крепятся на подвижной оси к телу самих поршней. К недостаткам двигателя следует отнести следующие 1) усложнение конструкции за счет применения синхронизирующего механизма 2) громоздкость установки 3) название двигателя свободнопоршневым в некоторой мере не правомочно, так как он имеет синхронизирующий механизм, т.е. здесь мы имеем не только газодинамическую, но и механическую связь между поршнями. Наиболее близким по своей технической сущности является двигатель Стирлинга без механической связи между поршнями. В этом случае рабочий и вытеснительный поршни называются свободными поршнями. Двигатель Стирлинга со свободными поршнями часто называют свободнопоршневым двигателем Била, где поршень или поршни являются свободными только в смысле отсутствия между ними механической связи, однако газодинамически они связаны. Этот двигатель аналогичен двигателю с рабочим и вытеснительным поршнями. Отличительными особенностями этих двигателей являются отсутствие кривошипно-шатунного механизма и полная изоляция обоих торцов цилиндра, поскольку агрегат не содержит ни шатунов, ни каких-либо других рычагов,связанных с поршнями. Шток вытеснительного поршня - полый, открытый со стороны своего нижнего торца, так что рабочее тело, находящееся внутри вытеснительного поршня, постоянно сообщается с рабочим телом в так называемой буферной полости, где все время поддерживается постоянное давление. Эта полость служит газовой пружиной и выполняет функцию, аналогичную функции коленчатого вала в обычном двигателе Стирлинга. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга состоит из цилиндра, в расширительной полости которого помещен вытеснительный поршень, повторяющий своей внешней конфигурацией внутреннюю поверхность головки цилиндра. Вытеснительный поршень в своей нижней части имеет полый шток, который плотной посадкой входит в буферную полость рабочего поршня, работающую как газовая пружина. Рабочий поршень совмещен с вытеснителем, который перемещается в расширенной нижней части цилиндра. Между нижней поверхностью вытеснительного поршня и верхней торцевой поверхностью рабочего поршня находится полость сжатия. А верхняя часть головки цилиндра имеет связь по рабочему телу с нижней частью цилиндра через нагреватель, регенератор и холодильник,выход которого по холодному рабочему телу связан с полостью сжатия. Таким образом,свободнопоршневой двигатель содержит корпус, закрытый цилиндр, в головку которого помещены вытеснительный и рабочий поршни, имеющий полость расширения, полость сжатия, выполняющие функции горячей и холодной полости, которые сообщаются между собой через нагреватель, регенератор и холодильник, а вытеснительный поршень в нижней своей части имеет полый шток, плотной посадкой входящий в буферную полость, выполняющую функцию газовой пружины, а к рабочему поршню в его нижней части присоединен вытеснитель 4. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга работает следующим образом. В начальном положении давление и температура рабочего тела во всем двигателе одинаковы, причем давление равно в его буферной полости. По мере передачи энергии рабочему телу в расширительной полости от трубок нагревателя температура рабочего тела возрастает, что влечет за собой возрастание давления. Это, в свою очередь, заставляет вытеснительный и 4 8109 1 2006.06.30 рабочий поршни начать свое движение вниз. Вытеснительный поршень имеет меньшую массу, чем рабочий поршень, для того, чтобы обеспечить сдвиг по фазе движений обоих возвратно-поступательных элементов для получения полезной мощности. Воздействие рабочего тела на рабочий и вытеснительный поршни приблизительно одинаково, однако из-за меньшей массы вытеснительный поршень движется с большим ускорением и выжимает рабочее тело из полости сжатия через регенератор в горячую полость, вызывая дальнейшее повышение давления в полости сжатия, и тем самым увеличивается разность давлений относительно давления в буферной полости. И вытеснительный поршень вступает в контакт с рабочим поршнем. Дальнейшее движение оба поршня совершают совместно. С этого момента давление в двигателе начинает падать из-за расширения рабочего тела. Однако это давление все еще не превышает давления в буферной полости, и поршни продолжают двигаться вниз. Процесс расширения продолжается до выравнивания давления во всех полостях. Процесс движения обоих поршней продолжается до появления разности давлений между рабочими полостями и буферной полостью, но уже противоположного знака. Поскольку вытеснительный поршень легче рабочего, то он останавливается быстрее, отделяясь от рабочего поршня. А так как рабочий поршень продолжает двигаться вниз и после остановки вытеснительного поршня, то рабочее тело начинает перетекать из расширительной полости в полость сжатия, вызывая дальнейшее более быстрое падение давления в рабочих полостях и соответствующее увеличение направленной вверх силы, действующей на поршни. Вытеснительный поршень теперь очень быстро перемещается в верхнюю часть цилиндра, вытесняя дополнительное количество рабочего тела из расширительной полости в полость сжатия. Когда вытеснительный поршень достигает своего конечного положения и остается в этом положении все время, пока давление в буферной полости превышает давление рабочего тела. Тем временем рабочий поршень,дойдя до своего крайнего положения, начинает перемещаться вверх, сжимая рабочее тело,заключенное между верхней поверхностью рабочего поршня и нижней поверхностью вытеснительного поршня. В процессе сжатия давление рабочего тела возрастает по сравнению с давлением в буферной полости, и в результате возникает сила, перемещающая вытеснительный поршень вниз. Изолированное в рабочем объеме рабочее тело перетекает в полость расширения, сообщая вытеснительному поршню дополнительное ускорение,под действием которого он догоняет рабочий поршень. Затем рабочий цикл повторяется. Свободнопоршневой двигатель Стирлинга имеет различные модификации, определяемые методом отбора мощности, развиваемой двигателем. Рабочий цикл свободнопоршневого двигателя Стирлинга почти полностью идентичен циклу двигателя, в котором рабочий и вытеснительный поршни механически связаны кривошипным механизмом обычного типа. Конфигурация вытеснительный поршень рабочий поршень в свободнопоршневом двигателе, по существу, является колебательной системой масса - пружина, и эта система настраивается на работу с резонансной частотой, которая является рабочей частотой двигателя. Как и двигатель Стирлинга с обычным кривошипным приводом, свободнопоршневой двигатель Стирлинга имеет различные модификации, определяемые методами отбора мощности, развиваемой двигателем. Определено, что свободнопоршневым двигателем Стирлинга называется двигатель, в котором отсутствует связь между элементами, совершающими возвратно-поступательное движение. Известны свободнопоршневой двигатель Стирлинга, работающий как линейный генератор переменного тока, работающий как насос, работающий как термомеханический генератор (ТМГ), тепловой двигатель Флюидайн, в котором используются столбы жидкости, а не поршни, изготовленные из твердых материалов. К недостаткам устройства свободнопоршневого двигателя следует отнести следующие 1) невозможность использования механического способа передачи мощности двигателя непосредственно на выходной вал, минуя вспомогательные механизмы привода типа кривошип-шатун 2) так как в свободнопоршневом двигателе Стирлинга отсутствует связь 5 8109 1 2006.06.30 между элементами, совершающими возвратно-поступательное движение, то система вытеснительный поршень-рабочий поршень в этом случае является колебательной системой,и поэтому она может использоваться в двигателях типа масса - пружина, в которых процесс преобразования полученной энергии в механическую работу может осуществляться только для ограниченных типов преобразователей механических колебаний в полезную работу, а не в массе известных преобразователей, к которым относятся такие типы двигателей Стирлинга, как то двигатели, осуществляющие передачу механической энергии при помощи кривошипно-шатунного механизма непосредственно на выходной вал, или роторные двигатели 3) выходная мощность двигателя Стирлинга прямо пропорциональна среднему давлению цикла в рабочем теле, и, следовательно, если с помощью каких-либо внешних устройств удастся изменять уровень давления в цилиндре, то тем самым можно будет регулировать и мощность, развиваемую двигателем. Простейшим методом для достижения этого эффекта является стравливание рабочего тела из цилиндра для уменьшения его мощности и подкачка его в цилиндр для ее увеличения. А так как в двигателях Стирлинга используются дорогие газы и, вообще-то, экологически не безопасные, то это производить не выгодно. А на практике же для изменения среднего давления цикла требуются достаточно сложные устройства. Исключить вышеперечисленные недостатки отсутствия передаточного механизма в максимальной мере можно, построив такой свободнопоршневой двигатель, где перемещение поршней, не связанных между собой различными кинематическими звеньями, в цилиндрах, не является препятствием для возникновения крутящего момента на выходном валу двигателя. Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства, которое бы исключило все недостатки прототипа и позволило бы получить максимальный КПД устройства при минимальных затратах тепловой энергии и которое могло бы работать как при малом, так и при большом перепаде температур между зоной нагрева и зоной охлаждения. Поставленная задача решается тем, что свободнопоршневой двигатель содержит корпус, цилиндр, в головке которого последовательно помещены вытеснительный и рабочий поршни, имеющий полость расширения и полость сжатия, заполненные рабочим телом и выполняющие функции горячей и холодной полостей, которые сообщены между собой через нагреватель, регенератор и холодильник, буферную полость, причем вытеснительный поршень в нижней своей части имеет полый шток, подвижной посадкой входящий в буферную полость, выполняющую функцию газовой пружины. Отличительной особенностью является то, что в корпусе двигателя установлен ротор облегченной конструкции, на котором по его образующей закреплены спаренные цилиндры головками вверх, в которых попарно помещены рабочие и вытеснительные поршни основаниями друг к другу, имеющие на нижней торцевой части полые штоки, способные входить один в другой, при этом масса штоков одинакова, полости расширения расположены в верхней и нижней части цилиндров, а полость сжатия расположена в средней части цилиндров между основаниями поршней, а открытый полый нагреватель сообщен с каждой спаренной головкой цилиндров через распределитель направления потока рабочего тела и дозатор, причем нагреватель расположен в выполняющей функцию регенератора центробежной тепловой трубе, соединенной с ротором двигателя и связанной с холодильником, а центробежная тепловая труба имеет конденсатор, внутри которого расположен нагреватель рабочего тела, отличающийся тем, что рабочий и вытеснительный поршни выполнены из тяжелого материала, не проводящего тепло, отличающийся тем, что при совмещении штоков рабочего и вытеснительного поршней их общая длина всегда равна радиусу ротора, отличающийся тем, что рабочий и вытеснительный поршни имеют одинаковую геометрическую форму и выполнены из одного и того же материала, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя и рабочего тела при диапазоне температур ниже 230 С могут быть использованы - вода, спирт, аммиак, ацетон, 24, фреоны, жидкий кислород, азот, водород, СО 2. 6 8109 1 2006.06.30 На фиг. 1 изображен свободнопоршневой двигатель в сборе, продольный разрез. На фиг. 2 изображены спаренные цилиндры в разрезе при их вертикальном и горизонтальном расположении на роторе. На фиг. 3 изображен герметичный переходный блок с распределителем рабочего тела,дозатором и неподвижной пластиной. Свободнопоршневой двигатель содержит корпус 1, цилиндр 2, головку цилиндра 3,вытеснительный 4 и рабочий 5 поршни, полость расширения 6 и полость сжатия 7, рабочее тело 8, горячую 9 и холодную 10 полости, нагреватель 11, регенератор 12, холодильник 13, буферную полость 14, полый шток 15 вытеснительного поршня, ротор 16,распределитель направления 17 потока рабочего тела, неподвижную пластину 18, дозатор 19, центробежную тепловую трубу 20, испаритель 21 и конденсатор 22 центробежной тепловой трубы, ось 23 ротора, вал двигателя 24, внутреннюю трубу 25, наружную трубу 26,горячую трубку 27, холодную трубку 28, внешний источник тепла 29, межтрубное пространство 30, ось переходного блока 31. Работа свободнопоршневого двигателя. Свободнопоршневой двигатель после заполнения всех полостей спаренного цилиндра 2 рабочим телом 8 работает следующим образом. В начальный момент времени давление и температура в объеме спаренного цилиндра 2 имеют одинаковое значение. По мере поступления нагретого рабочего тела 8 в спаренную головку 3 цилиндра 2 холодное рабочее тело 8 прогревается, возрастает его температура, что приводит к увеличению его объема и продавливанию по трубопроводу. Часть поступающей тепловой энергии тратится на прогрев трубопровода и самого спаренного цилиндра 2, а другая ее часть расходуется на прогрев самого рабочего тела 8 в головке 3 цилиндра 2. 1. Рассмотрим работу двигателя на примере работы спаренного цилиндра 2 при его вертикальном расположении на оси вращения 23 (фиг. 2), проходящей через его геометрический центр. При получении тепловой энергии от горячего рабочего тела 8, находящегося во внутренней трубе 25 центробежной тепловой трубы 20 (коаксиальной тепловой трубе), рабочее тело 8 в нагревателе 11 и подводящих трубках расширяется, повышается его давление. Прогретое рабочее тело 8 поступает в нижнюю головку спаренного цилиндра 2 по горячей трубке 27. При этом нижний рабочий поршень 5 под действием повышенного давления нагретого рабочего тела 8 поднимается вверх, увеличивая просвет между рабочим поршнем 3 и внутренней поверхностью головки 3 спаренного цилиндра 2 в полости расширения 6. Движение нижнего рабочего поршня 5 вверх вызывает увеличение давления холодного рабочего тела 8 в полости сжатия 7, расположенной между нижними поверхностями рабочего 5 и вытеснительного 4 поршней. Под действием увеличивающегося давления температура холодного рабочего тела 8 в полости сжатия 7 возрастает как результат реакции от действия сжатия холодного рабочего тела 8. Далее происходит расширение рабочего тела 8 в полости сжатия 7 за счет перемещения верхнего вытеснительного 4 поршня, и в результате этого расширения происходит падение температуры рабочего тела 8 в полости сжатия 7, и по этой причине происходит выравнивание давления в системе полостей спаренного цилиндра 2. При перемещении нижнего рабочего поршня 5 его полый шток 15 входит в соприкосновение со штоком 15 верхнего вытеснительного поршня 4 и штоки 15 входят один в другой. При этом, так как штоки 15 полые,то их внутреннее пространство заполнено газообразным рабочим телом 8 или его паром и является застойной зоной, где температура рабочего тела 8 подвержена слабому изменению. Это пространство является буферной полостью 14, которая работает как газовая пружина, т.е. смягчает соударение поршней. И оба поршня 4 и 5 далее движутся без толчков вместе под действием давления нагретого рабочего тела 8 в полости расширения 6. А это совместное движение рабочего 5 и вытеснительного 4 поршней приводит к возрастанию давления в холодной полости 10 над верхним вытеснительным поршнем 4, и рабочее тело 8 над этим поршнем нагревается. Как только спаренный цилиндр 2 занимает наклон 7 8109 1 2006.06.30 ное положение, т.е. когда происходит поворот головки 3 спаренного цилиндра 2 по часовой стрелке вправо, происходит сброс давления над верхним поршнем 4 по причине открытия холодной трубки 28, и рабочее тело 8 под повышенным давлением по холодной трубке 28 перемещается в холодильник 13, и верхний вытеснительный поршень 4 плотно прижимается к внутренней поверхности головки 3 спаренного цилиндра 2. В этот момент давление в системе поршней выравнивается и поршни несколько расходятся за счет пружинящего действия рабочего тела 8 в буферной полости 14, созданной полыми штоками 15 обоих поршней 4 и 5, и часть рабочего тела 8 из полости сжатия 7 по холодной трубке 28 уходит в холодильник 13. Далее происходит поворот спаренного цилиндра 2 на его оси 23 под действием силы перевеса правого плеча спаренного цилиндра 2 над его левым плечом по причине размещения рабочего 5 и вытеснительного 4 поршней в правой части спаренного цилиндра 2, и верхняя головка спаренного цилиндра 2 занимает нижнее положение. Под действием сил инерции спаренный цилиндр 2 проходит нижнюю точку на своей оси 23 вращения, и в этот момент в спаренный цилиндр 2 по горячей трубке 27 подается нагретое рабочее тело 8 и рабочий цикл повторяется. 2. Так как на роторе 16 размещено несколько спаренных цилиндров 2, то процесс работы, разобранный в п. 1, повторяется и для каждого спаренного цилиндра 2. 3. Рассмотрим работу всего свободнопоршневого двигателя с учетом процессов, происходящих в центробежной коаксиальной тепловой трубе 20. В центробежной коаксиальной тепловой трубе 20 рабочее тело 8 в виде потока жидкости или газа проходит по внутренней трубе 25 на проток. Тепловая энергия от внешнего источника тепла 29 поступает через стенку наружной трубы 26 к слою жидкости, находящемуся в межтрубном пространстве 30 и расположенному тонким слоем на внутренней поверхности наружной трубы 26, которая служит испарителем 21. За счет поступившей тепловой энергии от внешнего источника тепла 29 происходит испарение жидкости в тонком слое внутренней поверхности наружной трубы 26, и выделившийся пар поступает в межтрубное пространство 30 и оседает на наружной поверхности холодной внутренней трубы 25, которая служит конденсатором 22, выделяя при этом скрытую теплоту парообразования. Пар конденсируется на ней в виде капель. Капли под действием центробежных сил при вращении коаксиальной тепловой трубы 20 отбрасываются на внутреннюю поверхность наружной трубы 26 в слой жидкости испарителя 21. Получая новый заряд тепловой энергии,жидкость испаряется, и ее пар в виде капель вновь осаждается на холодной поверхности внутренней трубы 25. Этот процесс повторяется до бесконечности, пока температура рабочего тела во внутренней трубе 25 не станет равной температуре жидкости в межтрубном пространстве 30. А так как из объема внутренней трубы 25 тепловая энергия изымается рабочим телом 8 и переносится во внутренний объем спаренного цилиндра 2,где рабочее тело 8 совершает работу по перемещению рабочего 5 и вытеснительного 4 поршней, то на осуществление этого процесса затрачивается тепловая энергия. И по этому на выходе из верхней головки спаренного цилиндра 2 рабочее тело 8 имеет более низкую температуру, чем на входе в нижнюю головку 3 спаренного цилиндра 2. В предлагаемой конструкции двигателя с целью экономного расхода тепловой энергии, используемой в термодинамическом цикле, круг движения теплоносителя замкнут по рабочему телу 8, и тепловая энергия, накопленная рабочим телом 8, расходуется только на повышение давления в расширительной полости 6 спаренного цилиндра 3 и всей термодинамической системе двигателя для повышения его КПД. Так как отработанное рабочее тело 8 имеет более низкую температуру, чем рабочее тело 8 на входе в свободнопоршневой двигатель,то оно подается на вход в центробежную коаксиальную тепловую трубу 20 для подогрева по холодной трубке 28 через холодильник 13. Таким образом, из вышеизложенного видно,что центробежная коаксиальная тепловая труба 20 в данном случае выполняет, кроме функции поставщика тепловой энергии, также и функцию регенератора 12, к которому на входе в тепловую трубу 20 подводится по холодной трубке 28 охлажденное в двигателе 8 8109 1 2006.06.30 рабочее тело 8. А функцию поставщика тепловой энергии выполняет горячая трубка 27,которая воспринимает как энергию нагретого рабочего тела 8, так и энергию, поставляемую охлажденным рабочим телом 8 в сумме. Такое распределение тепловой энергии возникло по причине того, что цепочка транспорта тепловой энергии от полости сжатия 7 через нагреватель 11, регенератор 12 и холодильник 13, как это имеет место в прототипе для экономии тепловой энергии, поставляемой через стенки нагревателя 11, в данном случае разорвана в двух местах, между нагревателем 11 и регенератором 12, и между регенератором 12 и холодильником 13. Переходным блоком между свободнопоршневым двигателем и центробежной коаксиальной тепловой трубой 20 служит герметичное устройство, состоящее из вращающихся на оси 31, скрепленной с валом 24 двигателя, распределителя 17, дозатора 19 и неподвижной пластины 18, что обеспечивает их синхронное вращение. Поток рабочего тела 8 поступает из полого открытого нагревателя 11 по горячей трубке 27 через дозатор 19, неподвижную пластину 18 и распределитель 17 на вход нижней головки цилиндра 2. А холодное отработанное рабочее тело 8 выходит из верхней головки спаренного цилиндра 2 через распределитель 17, неподвижную пластину 18, дозатор 19 в холодную трубку 28 и холодильник 13 на вход холодной части центробежной коаксиальной тепловой трубы 20. Круг замыкается и рабочий цикл повторяется. По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами 1. Применение ротора и установка на его образующей спаренных цилиндров головками вверх с размещенными в них рабочим и вытеснительным поршнями позволили при перемещении поршней под давлением горячего рабочего тела в холодную сторону спаренного цилиндра создать крутящий момент ротора на рабочем валу двигателя при вращении по часовой стрелке по причине перевеса правого плеча над левым плечом при горизонтальном размещении спаренного цилиндра, т.е. перемещение свободных поршней внутри спаренного цилиндра напрямую без применения кривошипно-шатунного механизма вызывает вращение вала двигателя. 2. Установка на нижней торцевой поверхности поршней полых штоков, способных входить один в другой при сближении их в процессе рабочего цикла в холодной полости цилиндра (в полости сжатия), приводит к образованию в объеме полых штоков, застойной зоны, неизменной температуры, которая выполняет функцию газовой пружины, препятствующей соударению поршней, что может нарушить термодинамический цикл в объеме спаренных головок цилиндров, в то время как холодное рабочее тело полости сжатия не изменяет свою массу на протяжении всего рабочего цикла. 3. Изготовление рабочего и вытеснительного поршней из тяжелого материала обеспечивает появление крутящего момента на валу ротора, т.е. является основой возникновения связи между свободными поршнями и валом двигателя. 4. Изготовление рабочего и вытеснительного поршней из материала, не проводящего тепло, является необходимой преградой, противодействующей проникновению тепла в полость сжатия, и предотвращает нарушение термодинамического цикла двигателя. 5. Использование центробежной тепловой трубы для подвода тепловой энергии к двигателю позволяет осуществлять передачу тепловой энергии непосредственно от источника потребителю, используя наиболее кратчайший путь. 6. Использование в качестве транспортировщика тепловой энергии, известной конструкции, центробежной коаксиальной тепловой трубы, которая ранее использовалась для разового нагрева проходящего в ней потока жидкости на проток 4, в данном изобретении после некоторого изменения направления ее движения, т.е. после отказа от проточного движения и перехода на замкнутое круговое движение в объеме тепловая труба - двигатель - тепловая труба, удалось использовать этот бесконечный круговорот движения рабочего тела для накопления в нем тепловой энергии, поступающей от внешнего источника через межтрубное пространство во внутреннюю трубу только за счет многократного прохождения потока рабочего тела через внутреннюю трубу. 9 8109 1 2006.06.30 7. Необходимость экономного расхода тепловой энергии потребовала произвести соединение в единый агрегат свободнопоршневой двигатель и поставщик тепловой энергии - центробежную коаксиальную тепловую трубу. При таком соединении круг движения рабочего тела замкнут и тепловая энергия малыми порциями накапливается рабочим телом путем его многократного прохождения по тепловой трубе и расходуется только на повышение давления в расширительной полости спаренного цилиндра, в то время как в буферной полости штоков поршней давление практически остается постоянным, что способствует повышению КПД двигателя. 8. Для работы коаксиальной тепловой трубы необходимым условием является ее постоянное вращение за счет внешнего источника вращения. Соединение ее со свободнопоршневым двигателем на одном валу позволяет исключить внешний источник вращения по крайней мере после запуска тепловой трубы. Свободнопоршневой двигатель и коаксиальная центробежная тепловая труба выступают в этом варианте соединения как единое целое источник тепловой энергии и ее транспортировщик - ее потребитель и преобразователь в механическую энергию вращения, которые могут работать продуктивно и взаимосвязано. Известно, что температура жидкости в испарителе центробежной тепловой трубы зависит от скорости ее вращения при постоянном тепловом потоке. Чем больше угловая скорость вращения коаксиальной тепловой трубы, тем ниже температура испарителя, т.е. тем больший перенос тепловой энергии. У нас угловая скорость вращения вала свободнопоршневого двигателя напрямую зависит от скорости поступления тепловой энергии на вход в полость расширения головки спаренного цилиндра. Повышение же теплового потока зависит от мощности внешнего источника тепла, т.е. чем большая мощность внешнего источника тепла, тем выше угловая скорость вращения ротора двигателя при соблюдении равенства прочих условий рабочего цикла двигателя. 9. Введение полого нагревателя с открытой внутренней полостью в теплоноситель коаксиальной центробежной тепловой трубы позволило производить подвод тепловой энергии не через стенки цилиндра, как в прототипе, а непосредственно в рабочее тело за счет заполнения рабочего пространства спаренных головок цилиндров и рабочего пространства коаксиальной тепловой трубы единым рабочим телом, которое в системе двигатель тепловая труба выполняет и функцию теплоносителя. 10. Рабочее тело в двигателе находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется, а лишь изменяет свой объем при нагревании и охлаждении, так как не имеет никакого сообщения по рабочему телу с внешней средой. 11. Двигатель позволяет использовать непрерывный процесс горения, что позволяет сжигать различные виды топлива, и что особенно важно с экологической точки зрения. Так как непрерывный процесс нагрева теплоносителя осуществляется через стенку вращающейся наружной коаксиальной трубы, то, во-первых, в процессе прогрева поверхности трубы не происходит ее прогорание и поэтому не требуется применения жаропрочных дорогих сталей, как в прототипе. А во-вторых, так как труба вращается, то жидкостьпередатчик тепловой энергии из-за вращения трубы центробежными силами распределяется равномерным слоем по внутренней поверхности трубы, и, следовательно, прогорание трубы практически невозможно. 12. Совмещение функций, выполняемых теплоносителем, и функций, выполняемых рабочим телом, позволяет сделать двигатель компактным. 13. В двигателях Стирлинга метод подвода и отвода тепла громоздок и непрактичен,так как теплоемкость материалов, из которых изготавливается головка цилиндра, слишком велика для реализации требуемых быстрых изменений температуры материала головок, начиная от низкой до максимально высокой. В предлагаемом двигателе введение в разрыв между холодильником и нагревателем на место регенератора свободнопоршневого двигателя коаксиальной тепловой трубы направило поток теплоносителя непосредственно в рабочее тело, т.е. сделало возможным теплоноситель и рабочее тело соединить вместе за 10 8109 1 2006.06.30 счет использования для этой цели одного и того же вещества. А это сделало возможным доставлять тепловую энергию непосредственно от источника тепла в двигатель, минуя наружные стенки головок спаренных цилиндров, обычно изготовляемых из жаропрочных материалов, имеющих большую теплоемкость. Для изготовления же коаксиальной тепловой трубы возможно применение материалов с высокой теплопроводностью, особенно для наружной тепловой трубы, которая может работать при более низкой температуре, чем центральная труба центробежной коаксиальной тепловой трубы. 14. Функцией применяемых в свободнопоршневом двигателе распределителя и дозатора является подвод горячего теплоносителя непосредственно в спаренную головку цилиндра, причем этот процесс может осуществляться сколь необходимо быстро, как и отвод охлажденного теплоносителя из спаренной головки цилиндра, так как пути их транспортировки разделены, и не требуется нагревать и охлаждать быстро внешнюю поверхность одного и того же цилиндра, как в прототипе. 15. Организация процесса опережения сброса отработанного холодного рабочего тела из верхней головки спаренного цилиндра над процессом ввода горячего рабочего тела в нижнюю головку спаренного цилиндра обеспечивает направленное естественное движение горячего рабочего тела в нижнюю головку спаренного цилиндра и устраняет препятствия к протеканию естественного рабочего цикла в спаренной головке свободнопоршневого двигателя. 16. Организация процесса опережения сброса отработанного холодного рабочего тела из верхней головки спаренного цилиндра над процессом ввода горячего рабочего тела в нижнюю головку спаренного цилиндра обеспечивает направленное естественное движение горячего рабочего тела в нижнюю головку спаренного цилиндра и делает этот процесс пульсирующим, зависящим от количества спаренных головок цилиндров, размещенных на образующей ротора, а сглаживание пульсирующего движения рабочего тела устраняется размещением на валу двигателя нескольких роторов. 17. Скорость вращения ротора свободнопоршневого двигателя зависит только от скорости подачи горячего теплоносителя в нижнюю головку цилиндра и скорости отвода холодного теплоносителя из спаренной головки цилиндра. 18. В предлагаемом свободнопоршневом двигателе соблюдается основной принцип Стирлинга - попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела. 19. Регулирование скорости вращения вала свободнопоршневого двигателя возможно по трем направлениям 1) создание разности давлений на входе и выходе спаренной головки цилиндра, что возможно создать за счет разности диаметра входного и выходного отверстий двигателя 2) скорости подачи горячего теплоносителя и скорости выведения охлажденного теплоносителя из спаренной головки цилиндра, которая зависит от разности температур на входе и выходе двигателя 3) повышение мощности внешнего источника тепловой энергии. 20. Возможно увеличение мощности свободнопоршневого двигателя за счет увеличения диаметра и массы поршней и за счет увеличения диаметра ротора свободнопоршневого двигателя, так как сам ротор выполнен облегченной конструкции. 21. Предлагаемый свободнопоршневой двигатель по своей простоте и технологичности конструкции наиболее предпочтителен по сравнению с прототипом. 22. Предлагаемый свободнопоршневой двигатель позволяет использовать передачу полученной механической мощности непосредственно на выходной вал без использования вспомогательного механизма типа кривошип-шатун, как в традиционных поршневых двигателях. 23. Двигатель отличается бесшумностью своей работы по сравнению с другими поршневыми двигателями и даже по сравнению с прототипом из-за отсутствия передаточного механизма. 11 8109 1 2006.06.30 Установка ротора 16 в корпусе 1 свободнопоршневого двигателя с размещенными на его образующей спаренных цилиндров 2 по его диаметру и размещение в них рабочего 5 и вытеснительного 4 поршней из тяжелого материала позволили создать крутящий момент на валу 24 ротора 16 при расположении спаренного цилиндра в горизонтальном положении и при условии перемещения поршней 4 и 5 слева направо под действием давления горячего рабочего тела 8 или газа, поступающего в левый нижний цилиндр 2. Изготовление рабочего 5 и вытеснительного 4 поршней из не проводящего тепло материала является необходимой преградой, противодействующей проникновению тепла в полость сжатия 7, предотвращает нарушение термодинамического цикла двигателя. Использование центробежной коаксиальной тепловой трубы 20 для подвода тепловой энергии к двигателю позволяет осуществлять передачу тепловой энергии непосредственно от ее внешнего источника тепла 29 свободнопоршневому двигателю, используя наиболее кратчайший путь. Применяемые в свободнопоршневом двигателе распределитель 17 и дозатор 19 выполняют несколько функций 1) направление рабочего тела 8 в заданную спаренную головку цилиндра 2 2) дозировку необходимого количества рабочего тела 8 для полноценной работы двигателя 3) подвод горячего теплоносителя непосредственно в спаренную головку 3 цилиндра 2 4) заполнение необходимым количеством горячего рабочего тела 8 для поддержания постоянного давления рабочего тела 8 горячей полости 9 спаренного цилиндра 2 в процессе его расширения при перемещении рабочего поршня 5 под давлением горячего рабочего тела 8. Изготовление полых штоков 15 рабочего 5 и вытеснительного 4 поршней, способных входить один в другой, одинаковой массой, обеспечивает при перемещении поршней 5 и 4 при расположении спаренного цилиндра 2 параллельно горизонта вращающий момент ротора, но так как площади отверстий полых штоков различны, то перемещение свободных поршней 5 и 4 под действием горячего рабочего тела 8 происходит с некоторым сдвигом по фазе, а это благоприятно сказывается на КПД двигателя. Циркуляция во внутренней вращающейся трубе 25 холодного рабочего тела 8, в замкнутом пространстве, позволила при передаче ему тепловой энергии от пара жидкости,размещенной в объеме межтрубного пространства 30, накапливать тепловую энергию для передачи ее рабочему телу 8 с коэффициентом теплообмена, превышающим в 5-10 раз коэффициент теплообмена между потоком жидкости во внутренней трубе 25 и неподвижной трубой, вследствие того, что имеет место как направленное аксиальное течение потока,так и его турболизация 5. Введение в конструкцию свободнопоршневого двигателя горячей 27 и холодной 28 трубок для организации сброса отработанного холодного рабочего тела 8 из верхней головки 3 спаренного цилиндра с некоторым опережением над введением горячего рабочего тела 8 в нижнюю головку 3 спаренного цилиндра 2 способствует протеканию естественного термодинамического цикла в спаренном цилиндре 2 свободнопоршневого двигателя. Организация процесса опережения сброса отработанного холодного рабочего тела 8 из верхней головки 3 спаренного цилиндра 2 над процессом ввода горячего рабочего тела 8 в нижнюю головку 3 спаренного цилиндра 2 обеспечивает направленное естественное движение горячего рабочего тела 8 в нижнюю головку спаренного цилиндра 2 и делает этот процесс пульсирующим. Пульсация поступления горячего рабочего тела 8 в свободнопоршневой двигатель сглаживается путем размещения на валу 24 двигателя нескольких аналогичных роторов 16 со сдвигом по фазе начала поступления горячего рабочего тела 8 и сброса отработанного рабочего тела 8. Установление связи по холодному рабочему телу 8 между верхним спаренным цилиндром 2, холодильником 13 и входом в холодное начало внутреннего канала центробежной коаксиальной тепловой трубы 25 позволило направить поток рабочего тела 8 повторно через нагреватель 11 в спаренный цилиндр 2 свободнопоршневого двигателя, т.е. создать 12 8109 1 2006.06.30 циркуляцию рабочего тела 8 по замкнутому кругу с малой непроизводительной потерей тепловой энергии, кроме того, здесь центробежная коаксиальная тепловая труба 20 выполняет две функции функцию поставщика тепловой энергии от ее источника 29 и функцию регенератора 12 тепловой энергии. При передаче тепловой энергии от внешнего источника 29 через внешнюю стенку наружной трубы 26 происходит испарение жидкости из слоя на внутренней стенке наружной трубы 26 и перемещение пара в межтрубном пространстве 30. Далее происходит конденсация паров этой жидкости на наружной стенке внутренней трубы 25. Так как по внутренней трубе 25 движется холодное рабочее тело 8, то ее наружная поверхность является холодной и горячий пар конденсируется на этой холодной поверхности, передавая ей свою тепловую энергию путем фазового перехода (испарение - конденсация). Таким образом, наружная поверхность внутренней трубы 25 выполняет функцию конденсатора 22, а внутренняя поверхность наружной трубы 26 - функцию испарителя. Разведение регенератора 12 и нагревателя 11 и вставка между ними центробежной коаксиальной тепловой трубы 20 не ухудшает термодинамические параметры свободнопоршневого двигателя, а способствует передаче тепловой энергии кратчайшим путем от источника энергии 29 к нагревателю 11 и спаренному цилиндру, т.е. уменьшило возможные потери энергии на ее транспортировку по пути следования к цилиндрам двигателя. Подключение к центробежной коаксиальной тепловой трубе 20 на этапе ее разгона электрического двигателя позволяет запустить ее в работу для подачи нагретого рабочего тела 8 в спаренный цилиндр 2 двигателя, и как только произойдет первый оборот ротора двигателя, необходимость в работе пускателя отпадает. Вращение ротора 14 двигателя обеспечивает работу центробежной коаксиальной тепловой трубы 20 для подачи горячего рабочего тела 8 в спаренную головку цилиндра 2. Введение переходного блока между свободнопоршневым двигателем и центробежной коаксиальной тепловой трубой 20, состоящего из вращающихся на оси 31, скрепленной с валом двигателя 24, распределителя 17, дозатора 19 и неподвижной пластины 18, обеспечивает их синхронное вращение, и потому постоянное совмещение входных и выходных отверстий головок спаренных цилиндров 2 для пропуска горячего рабочего тела 8 и сброса отработанного рабочего тела 8, а также поток рабочего тела 8 по открытому полому нагревателю 11, по горячей трубке 27 через дозатор 19, неподвижную пластину 18 и распределитель 17 на вход нижней головки цилиндра 2. А холодное отработанное рабочее тело 8 выходит из верхней головки спаренного цилиндра 2 через распределитель 17, неподвижную пластину 18, дозатор 19 в холодную трубку 28 и холодильник 13 на вход холодной части центробежной коаксиальной тепловой трубы 20. Регулирование скорости вращения вала 24 свободнопоршневого двигателя возможно созданием разности давлений на входе и выходе спаренной головки цилиндра 2 за счет разности диаметра входного и выходного отверстий спаренного цилиндра 2 за счет быстроты подачи горячего рабочего тела 8 и быстроты выведения охлажденного рабочего тела 8 из спаренной головки цилиндра 2, которая зависит от разности температур на входе и выходе двигателя скорость двигателя можно регулировать количеством рабочего тела 8 в головках спаренных цилиндров 2 или величиной среднего давления. Увеличение мощности свободнопоршневого двигателя возможно за счет увеличения диаметра и массы поршней 5 и 4 и за счет увеличения диаметра ротора 16 свободнопоршневого двигателя. Источники информации 1. Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М. Машиностроение, 1972. - 175 с. 2. А.с.118471, МПК 01 9/02 // Бюл. 47. - 10.12.1973. 13 8109 1 2006.06.30 3. Алексеев В.П., Костыгов Н.И., Круглов М.Г. и др. Двигатели внутреннего сгорания // Под ред. А.С. Орлина. - М. Гос.Н-Т.изд. Машиностроительной литературы, 1960. С. 395-400. 447 с. 4. Ридлер Г., Хупнер Ч. Двигатели Стирлинга // Перевод с англ. д-ра С.С. Чепцова и к.т.н. Е.Е. Черейского, В.И. Кабакова. - М. Мир, 1986. - С. 34-43. 460 с. 5. А.с.477299, МПК 28 7/10, А 23 3/02, 15.07.75, Бюл.26. 6. Васильев Л.Л., Конев С.В. Теплопередающие трубки / Под ред. ак. А.В. Лыкова. Мн. Наука и техника, 1972. - С. 138. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 14