Двигатель внешнего сгорания

/ камера сгорания И система подачи топлива И воздуха расположены вне корпуса двигателя,снабженного центробежной тепловой трубой, имеющей испаритель И конденсатор, шток вытеснительного поршня выполнен полым с нижней стороны, а шток рабочего поршня выполнен полым с верхней стороны, причем шток вытеснительного поршня пропущен через рабочий поршень в полость штока рабочего поршня, выполняющую функцию газовой пружины, а шток рабочего поршня через палец связан подвижно с механизмом преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение вала, вь 1 полненным реечным, при этом вытеснительный поршень установлен на штоке с возможностью ограниченного осевого перемещения И удерживается головкой штока, причем между рабочим поршнем И полостью картера установлена полая перегородка, отделяющая полость под рабочим поршнем И буферную полость от полости картера, при этом в полости перегородки размещен регулятор давления между этими полостями, в зоне конденсации центробежной тепловой трубы размещен дополнительный нагреватель, а в полости последней теплоноситель, причем центробежная тепловая труба установлена на валу, размещена вне корпуса двигателя И связана с последним через герметичный блок распределения рабочего тела по системе распределения холодного И горячего рабочего тела, который включает в себя распределитель направления рабочего тела, дозатор, две неподвижные пластины, ось переходного блока, соединенную с валом двигателя, холодную И горячие трубки, емкости для холодного И горячего рабочего тела, компрессор высокого давления, клапан сброса рабочего тела, клапан перекачки его в баллон, поршень, подогреватель, резервуар холодного рабочего тела, резервуар горячего рабочего тела, при этом в качестве рабочего тела применяются легкокипящие жидкости или газы.2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что вытеснительный поршень выполнен в виде цилиндрического колпака облегченной массы, верхняя часть которого имеет меньший диаметр, а наружная оболочка выполнена из тонкостенной нержавеющей стали, И заполненного изнутри газонаполненным материалом типа вармикулита, причем с наружной стороны вытеснительный поршень имеет в средней части два ряда колец.3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что вытеснительный поршень изнутри в нижней его части закреплен на штоке, имеющем в верхней части головку с острием полусферической формы, снабжен жестко закрепленным с ним колоколом с полусферическим подпятником, установленным над головкой штока, стопорным кольцом с пружиной И установлен с возможностью радиального И вертикального перемещения на штоке.4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что свертывающееся диафрагменное уплотнение расположено на слое масла, размещенного в полости вокруг штока рабочего поршня, выполненной в перегородке И сообщенной по каналу в перегородке с полостью под поршнем через регулятор давления.5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что перегородка снабжена полостью, которая служит емкостью для размещения в ней охлаждающей жидкости для охлаждения подпоршневой полости И штока рабочего поршня.6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что регулятор давления выполнен в виде заполненного маслом сосуда, сообщенного с полостью под рабочим поршнем по каналу в верхней своей части, а по каналу в нижней части - с полостью вокруг штока рабочего поршня, И размещенного в цилиндрической горловине сосуда поплавка, выполненного в виде поршня, опирающегося на масло в сосуде.7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что центробежная тепловая труба разделена на две зоны зону испарения большего внутреннего диаметра И зону конденсации меньшего внутреннего диаметра, причем в зоне конденсации выполнены продольные канавки,увеличивающиеся по глубине к зоне испарения, а на уровне дна канавок к торцу стенки конденсатора в зоне испарения жестко прикреплена мелкоячеистая проволочная сетчатая вставка, при этом наружная поверхность конденсатора покрыта слоем теплоизоляции.8. Двигатель ПО П. 1, ОТЛИЧЯЮЩИЙСЯ ТСМ, ЧТО камера сгорания СОДСРЖИТ ТОПКУ, канал подвода воздуха В камеру сгорания, КОЛЬЦСВУЮ ПОЛОСТЬ, фОрСуНКу, канал отвода ПРОДУКТОВ сгорания, заслонки, отражатель, ПОДОГРСВЗТСЛЬ воздуха, ВЫПОЛНСННЫЙ В ВИДС РСШВТКИ ИЗ ВСРТИКЗЛЬНЫХ МСТЗЛЛИЧССКИХ пластин, ВСРХНИС КОНЦЫ КОТОрЫХ расположены В ЗОНВ максимального нагрева, ВНуТрСННИЙ ЧСХОЛ, а ЦВНТРООСЖНЗЯ тепловаяПОМВЩСНЗ В НИЖНЮЮ часть ТОПКИ СВОИМ испарителем.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.Известно устройство под названием Тепловой двигатель, содержащий по крайней мере один корпус с размещенной в нем, частично заполненной легкокипящей текучей средой,рабочей камерой, и с размещенными в ее противоположных концах зонами испарения и конденсации с жесткими торцевыми стенками, одна из которых выполнена подвижной в виде поршня с углублением в его днище, а другая, расположенная в зоне испарения, покрыта изнутри капиллярно-пористым слоем и представляет собой дно вертикально установленного цилиндра с зоной испарения, размещенной в его верхней части. В качестве рабочего тела используется легкокипящая текучая среда, например фреон, спирт. В нижней части цилиндра расположены окна, имеющие сообщение через коллектор и картер с зоной конденсации и рабочей камерой 1.Устройство работает следующим образом.Поршень поднимается посредством кривошипно-шатунного механизма. В верхней мертвой точке поршень конденсатом среды, скопившейся на его днище, входит в соприкосновение с капиллярно-пористым слоем дна цилиндра. В результате этого конденсат среды, находящийся на днище поршня, за счет капиллярных сил переходит в осушенный за предыдущий период капиллярно-пористый слой зоны испарения. К зоне испарения подводится от внешнего источника теплота, которая затрачивается на испарение легкокипящей текучей среды из капиллярно-пористого слоя. Давление паров легкокипящей текучей среды внутри цилиндра в рабочей камере возрастает, и поршень под его действием опускается, передавая механическую энергию через кривошипно-шатунный механизм и вал внешней нагрузке. Движение поршня вниз сопровождается осушением капиллярнопористого слоя. При подходе к нижней мертвой точке поршень открывает коллектор, где на внутренних стенках цилиндра конденсируются пары легкокипящей среды, отдавая свою теплоту среде, охлаждающей коллектор, а образовавшийся при этом конденсат среды стекает по стенкам цилиндра и скапливается на днище поршня. Давление паров легкоиспаряющейся текучей среды в рабочей камере уменьшается. Поршень доходит до нижней мертвой точки. При этом капиллярно-пористый слой полностью осушается за предыдущий период. Поршень начинает подниматься, а в рабочей камере в этот момент имеет место разряжение вследствие конденсации паров среды. Далее цикл работы теплового двигателя повторяется.К недостаткам устройства двигателя следует отнести 1) наличие кривошипношатунного механизма, который передает механическую энергию валу. Такая передача механической энергии приводит к большим затратам ее на трущихся деталях этого механизма 2) наличие картера, соединенного с коллектором, по которому стекает конденсат среды,по дополнительному трубопроводу приводит к тому, что конденсат среды имеет контакт со смазкой трущихся частей кривошипно-шатунного механизма, а это приводит к изменению химического состава среды и, при ее агрессивности, может привести к изменению ее свойств, а это отразится на текучести и испарительных свойствах среды, а также на свой ВУ 8656 С 12006.12.30ствах смазки трущихся деталей 3) шарнирное соединение поршня с шатуном также приводит К затратам энергии на преодоление трения этих деталей.Наиболее близким К заявляемому изобретению по своей технической сущности является двигатель Стирлинга с ромбическим механизмом преобразования движения, содержащий остов, камеру сгорания, систему подачи топлива и воздуха, нагреватель, охладитель, регенератор, водяную рубашку охладителя, цилиндр, верхнюю крышку, горячую и холодную полости, вытеснительный поршень, рабочий поршень, шток вытеснительного поршня и полый шток рабочего поршня, траверсы, шатуны, кривошипы, пальцы, два коленчатых вала, синхронизирующие шестерни, картер, сальник штока вытеснительного поршня, уплотнение штока рабочего поршня З.В двигателе в одном цилиндре установлены последовательно два поршня вь 1 теснительный - сверху над рабочим поршнем. Горячая и холодные полости цилиндра сообщаются между собой каналами через нагреватель, регенератор и охладитель. Над вытеснительным поршнем расположена горячая полость, а между вытеснительным и рабочим поршнями расположена холодная полость. Вытеснительный поршень создает подвижное уплотнение между горячей и холодной полостями цилиндра. Этот поршень соединен со штоком, проходящим через отверстие рабочего поршня и его полый шток, а шток соединен с нижней траверсой, связанной с помощью пальцев с шатунами и кривошипами коленчатого вала. Полый шток рабочего поршня, проходящий через отверстие в верхней стенке картера,связан с верхней траверсой, которая с помощью шатуна соединена с кривошипами коленчатого вала. Оба коленчатых вала связаны между собой синхронизирующими шестернями, обеспечивающими вращение валов в противоположном направлении с одинаковой частотой. Сальник штока вытеснительного поршня расположен внутри полого штока рабочего поршня. Второе уплотнение вокруг штока рабочего поршня служит для создания полости под поршнем, отделенной от картера. Эта полость заполняется рабочим газом до необходимого давления. Остов двигателя состоит из картера и цилиндра, имеющего съемную крышку. Нагреватель и регенератор, которые работают при высоких температурах,изготавливаются из жаропрочных легированных металлов. Охладитель, который работает при низкой температуре, может быть изготовлен из латуни. Уплотнительные кольца для вытеснительного поршня изготавливаются из графита или фторопласта и не требуют смазки.Полезная работа в рабочем цикле этого преобразователя тепловой энергии (двигатель Стирлинга) совершается, как и в других тепловых двигателях, посредством сжатия рабочего тела при низкой температуре и расширении того же рабочего тела после нагрева при более высокой температуре. В двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменника. Существенным отличием двигателя Стирлинга от двигателей внутреннего сгорания является отсутствие в нем клапанов или отверстий для впуска и выпуска рабочего тела. Двигатели Стирлинга работают по замкнутому циклу, без непрерывных микровзрывов в рабочих цилиндрах, практически без выделения вредных газов, и топлива им требуется значительно меньше. Двигатель Стирлинга - это поршневой двигатель с внешним подводом тепла, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется. Он может работать от любого вида тепловой энергии. Полезная работа почти прямо пропорциональна среднему давлению цикла. В качестве рабочего тела в двигателе обычно используется воздух,гелий или водород. Наиболее эффективно двигатель работает при постоянных значениях скорости и мощности. Нагрев, охлаждение и регенерация в двигателе осуществляются с помощью встроенных теплообменников. Основными конструктивными элементами двигателя Стирлинга являются рабочий поршень, вытеснительный поршень, нагреватель, регенератор, охладитель. В двигателях Стирлинга, выполненных по любой конструктивной схеме, можно выделить следующие основные механизмы, устройства и системы. 1. Механизм движения, который обеспечивает необходимый закон изменения объемов горячей ихолодной полостей, воспринимает давление газов в цилиндре двигателя и преобразует поступательное движение поршней во вращательное движение вала. 2. Остов двигателя, состоящий из неподвижных деталей, направляющих и поддерживающих движущиеся детали Механизма движения. 3. Теплообменные устройства, включающие воздухоподогреватель, нагреватель рабочего тела, регенератор и охладитель, которые служат для подвода теплоты от внешнего источника К рабочему телу в рабочем пространстве двигателя и отвода теплоты от рабочего тела в систему охлаждения, а также для регенерации теплоты газа, перетекающего из одной полости в другую. 4. Системы охлаждения, смазки, регулирования и т.п., необходимые для нормальной работы двигателя.По мере подвода тепла к головке цилиндра давление рабочего тела возрастает, и поршень начинает перемещаться в сторону меньшего давления. По мере перемещения поршня давление в цилиндре падает и, для компенсации охлаждения рабочего тела при его расширении, продолжается подвод тепла к головке цилиндра, благодаря чему процесс перемещения поршня протекает при постоянной температуре. Когда поршень достигает своего крайнего положения (нижней мертвой точки), подвод тепла прекращается и начинается охлаждение головки цилиндра с помощью внешнего источника охлаждения. В процессе охлаждения давление в головке цилиндра продолжает падать, и поршень начинает перемещаться в сторону головки цилиндра, сжимая газ. Процесс охлаждения при этом продолжается, чтобы компенсировать нагрев рабочего тела при его сжатии. Таким образом, сжатие рабочего тела протекает при постоянной температуре. Когда поршень достигает своего крайнего положения в головке цилиндра (верхней мертвой точки), охлаждающее устройство заменяется источником тепла. И процесс повторяется. Поскольку процесс расширения с нагревом протекает при более высоком среднем давлении, чем процесс сжатия с охлаждением, двигатель совершает полезную работу.К недостаткам устройства двигателя Стирлинга с ромбическим механизмом следует отнести1. Использование в качестве рабочего тела высокотекучего водорода, способного при высоких температурах диффундировать через стальные стенки нагревателя, для обеспечения постоянного давления которого необходимо прибегать к всевозможным ухищрениям и использовать довольно сложную систему уплотнителей. Местами утечек водорода являются уплотнение штока поршня и трубка нагревателя. Поэтому конструкторам приходится прибегать к сложной системе подпитки газа в процессе работы двигателя, который должен работать в среде, не содержащей масел, что предотвращает их засорение. Важным элементом, ограничивающим долговечность двигателя, является система уплотнений всех деталей и корпуса двигателя. Кроме того, применение водорода в двигателях, работающих в ограниченном пространстве, не целесообразно по условиям взрывобезопасности. Применение же воздуха или гелия более целесообразно, но при этом для обеспечения требуемой мощности рабочий объем двигателя должен быть увеличен примерно на 40 .2. В двигателе Стирлинга к деталям движения относятся поршни (рабочий и вь 1 теснительный), поршневые пальцы, подшипники, шатуны, штоки, траверсы, два коленчатых вала, синхронизирующие шестерни, обеспечивающие вращение валов в противоположном направлении с одинаковой частотой и т.д. И при этом в качестве передаточного механизма используется ромбический привод, известно, что чем больше в механизме привода движущихся частей, тем меньше, как правило, механический КПД при этом преимущества, обусловленные воспроизведением закона изменения объема, близкого к идеальному,могут быть сведены на нет низким общим КПД двигателя. Кроме того, большое количество деталей приводит к повышению стоимости изготовления механизма привода, общей стоимости агрегата и затрат на эксплуатацию, а также к снижению надежности по сравнению с механизмами привода обычных двигателей внутреннего сгорания.3. Выполнение вытеснительного поршня в виде высокого полого тонкостенного металлического колпака, в несколько раз по высоте превышающим толщину рабочего поршня, 5