Устройство и способ работы двигателя андреева

 

Изобретение относится к двигателестроению, а точнее к устройству двигателей с внешним подводом теплоты и способу их работы. Предлагаемое изобретение решает задачу повышения кпд, улучшения относительных весовых и габаритных показателей, отказа от регенераторов и шатунных механизмов. Изобретение может быть использовано при конструировании компактных и экологически чистых двигателей с высокими удельными показателями. Поставленная задача в устройстве и способе работы двигателя решается тем, что горячие полости (поршневая и штоковая) образованы в горячем цилиндре, а холодные полости (поршневая и штоковая) - в соосно расположенном холодном цилиндре, при этом все полости и магистрали заполнены под избыточным давлением газообразным рабочим телом (р. т. ) и работают со сдвигом по фазе на 180^o. Полный цикл совершается за один оборот коленвала. Предлагаемый двигатель работает при подводе теплоты извне. 2 c.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, а точнее к устройству двигателей с внешним подводом теплоты и способу их работы.

Известно устройство двигателя с внешним подводом теплоты по патенту 2006640, работающего по циклу Андреева, см. а.с. 476369, содержащее две пары сильфонных цилиндров, у которых горячие сильфоны выполнены большего диаметра, чем холодные, а межцилиндровый газообмен между ними осуществлен через посредство клапана, кинематически связанного с силовым механизмом и размещенного в диафрагме, разделяющей оппозитные горячие сильфоны.

Недостатками этого двигателя является недолговечность сильфонов и политропный характер межцилиндрового газообмена, снижающий термодинамический кпд.

Наиболее близким по устройству и способу работы является двигатель по а. с. 541039, кл. F 02 G 1/04, работающий по циклу Андреева по а.с. 476369, кл. F 02 G 1/04, содержащий корпус с силовым механизмом отбора мощности, кинематически связанный со штокопоршневыми группами, расположенными в оппозитных рабочих цилиндрах, каждый из которых образует горячую поршневую и холодную штоковую полости, постоянно сообщенные друг с другом через подогреватель и регенератор и эпизодически сообщающиеся через газораспределительные каналы с оппозитными полостями при экстремальных положениях поршней.

Недостатками этого двигателя являются размещение горячего и холодного объемов в одном цилиндре, наличие регенераторов, чувствительных к загрязнению смазкой, а также политропный характер межцилиндрового газообмена. Все это приводит к снижению термодинамического кпд и повышению температурной напряженности подогревателей, что в конечном счете ухудшает относительные показатели двигателя.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения кпд, улучшения относительных весовых и габаритных показателей и отказа от регенераторов.

Поставленная задача в устройстве и способе работы двигателя решается тем, что горячие полости (поршневая и штоковая) образованы в горячем цилиндре, а холодные полости (поршневая и штоковая) - в соосно расположенном холодном цилиндре, работающем со сдвигом по фазе на 180^o, при этом все полости и магистрали заполнены под избыточным давлением газообразным рабочим телом (р. т. ), а система газораспределения выполнена в виде вращающихся пробковых газораспределителей, связанных с валом отбора мощности кинематикой, обеспечивающей снижение их числа оборотов по сравнению с числом оборотов вала отбора мощности, с возможностью реализации внутрицилиндрового газообмена при рабочем ходе, а межцилиндрового газообмена - при подготовительном ходе, осуществляя таким образом весь рабочий цикл за один оборот коленвала: при рабочем ходе - расширение р.т. в горячем цилиндре и механическое его сжатие в холодном цилиндре, при подготовительном ходе - наддув р.т. из горячего в холодный цилиндр и последующий перепуск остального горячего р.т. из горячей поршневой полости в холодную и из холодной штоковой полости в горячую. При этом подготовительный ход реализуется без затраты работы (потери на трение пренебрежимо малы), теплообменник для передачи теплоты от горячего рабочего тела к холодному выполнен противоточным, а плунжерная и поршневая полости холодного цилиндра сообщены друг с другом посредством газообменного тракта, снабженного раздельными холодильниками, один из которых сообщен посредством клапана наддува с полостями холодного цилиндра. Полный цикл совершается за один оборот коленвала и может быть показан на диаграмме P,V изотермой сжатия р.т., изохорой нагрева (повышения давления) р.т., изотермой его расширения и двумя политропами охлаждения (понижения давления) р.т. При этом рабочее тело разделяют на два разобщенных объема таким образом, что в такте расширения количество рабочего тела получают больше, чем в такте его механического сжатия, путем сообщения полостей только для выхлопа р.т. из горячего цилиндра в холодный и усреднения давления в обоих цилиндрах, а реальная диаграмма P,V не отличается от теоретической, т.к. не имеет "скруглений", свойственных известным способам работы тепловых двигателей.

Изобретение может быть использовано при конструировании компактных и экологически чистых двигателей с высокими удельными показателями.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель в разрезе; на фиг.2 показано его сечение по А-А; на фиг.3 - сечение по Б-Б; на фиг.4 и 5, на принципиальных схемах, изображены последовательные позиции механизма газораспределения; на фиг. 6 показана диаграмма P,V работы двигателя; на фиг.7 - диаграмма Т, S.

Предлагаемое изобретение является двигателем с внешним подводом теплоты и состоит (см. фиг.1, 2 и 3) из картера 1, на котором оппозитно расположены холодный 2 и горячий 3 цилиндры с размещенными в них соответственно компрессионным поршнем 4 и рабочим поршнем 5, жестко закрепленными на общем плунжере 6, жестко сочлененном со штоком 7 водила 8 без шатунного силового механизма отбора мощности, включающего направляющие эксцентрики 9 и 10, зубчатый венец внутреннего зацепления 11 и шестерню 12, выполненную на коленвале 13, снабженном многозаходным червяком 14, находящимся в зацеплении с червячным колесом 15, жестко установленным на приводном валу 16 механизма газораспределения, состоящего, в свою очередь, из корпуса 17 и пробковых газораспределителей 18 и 19. На фиг.4 их пробки показаны в положении внутрицилиндрового газообмена, а на фиг.5 - в положении межцилиндрового газообмена.

Цилиндры разделены вставкой 20, выполненной из теплоизоляционного материала, и посредством поршней 5 и 4 образуют переменные объемы: в горячем цилиндре 3 - поршневую полость расширения 21 и приемную плунжерную полость 22, а в холодном цилиндре 2 - плунжерную полость сжатия 23 и приемную поршневую полость 24, снабженную клапаном наддува 25. При внутрицилиндровом газообмене (см. фиг.4) полости 21 и 22 горячего цилиндра 3 сообщены друг с другом посредством газообменного тракта, состоящего из подогревателя 26 и проточки 27, выполненной в пробке 28 газораспределителя 19, а полости 23 и 24 холодного цилиндра 2 сообщены друг с другом посредством газообменного тракта, состоящего из холодильника 29, проточки 30 в пробке 31 газораспределителя 18 и холодильника 32.

На фиг. 5 изображено положение пробок газораспределителя при межцилиндровом газообмене (после поворота коленвала на 180^o), когда горячая поршневая полость расширения 21 будет сообщена с холодной приемной поршневой полостью 24 через посредство подогревателя 26, канала 33, выполненного в пробке 28, каналов 34 противоточного теплообменника, канала 35, пробки 31, газораспределителя 18 и холодильника 32, а также клапана наддува 25. Кроме того, пробки 31 и 28 снабжены каналами 36 и 37. Все полости двигателя, противоточного теплообменника 38 и газообменные тракты заполнены под избыточным давлением рабочим телом (р. т.), например гелием, а герметизация их обеспечена свертывающимся диафрагменным уплотнением 39, см. фиг.1.

Камера сгорания и горелка условно не показаны.

Предлагаемый двигатель работает при подводе теплоты извне следующим образом.

В позиции, изображенной на фиг. 1 и 4, т.е. в верхней мертвой точке (ВМТ), (на диаграмме P,V эта позиция соответствует точкам 4 и 1), плунжерная полость 22 горячего цилиндра 3 через пробковый газораспределитель 19 и подогреватель 26 сообщается с поршневой полостью 21, а плунжерная полость 23 холодного цилиндра через холодильник - 29 и пробковый газораспределитель 18 сообщается с приемной поршневой полостью 24 холодного цилиндра 2, см. фиг.3. Вследствие этого, при движении поршневой группы вниз, будут происходить внутрицилиндровые газообмены в горячем и холодном цилиндрах соответственно, при которых в горячем цилиндре 3, вследствие изотермического расширения р.т. , будет совершаться рабочий ход (на диаграмме P,V этому соответствует изотерма 4-5), а в холодном цилиндре 2 будет происходить изотермический процесс механического сжатия р.т. На диаграмме P,V этому соответствует изотерма 1-2.

При подходе к нижней мертвой точке (НМТ) пробки газораспределителей 18 и 19 займут положение, изображенное на фиг.3, и все переменные объемы сообщатся друг с другом: полость расширения 21 горячего цилиндра 3 сообщится через подогреватель 26, канал 33 пробки 28 газораспределителя 19 и далее через каналы 34 противоточного теплообменника, канал 35 пробки 31 газораспределителя 18, холодильник 32 с приемной полостью 24 и через клапан наддува 25 с плунжерной полостью 23 и далее через холодильник 29, газораспределитель 18 и межтрубное пространство противоточного теплообменника 38 и газораспределитель 19 с плунжерной полостью 22 горячего цилиндра 3. В результате чего, под действием избыточного давления в горячей полости расширения 21, произойдет выхлоп р.т. из нее и наддув в полости 24 и 23 холодного цилиндра 2 через клапан наддува 25 (см. соответственно политропу 5-6 и политропу 2-3 на диаграмме P, V), поэтому в холодном цилиндре давление, а следовательно, и количество р.т. возрастет. В результате чего давление р.т. усреднится, т.е. станет во всех полостях одинаковым и клапан наддува 25 закроется, а в плунжерной полости 23 холодного цилиндра 2 количество (масса) рабочего тела вследствие более низкой его температуры, окажется больше, чем в горячем цилиндре 3.

Далее, при движении поршней 4 и 5 вверх холодное р.т. из плунжерной полости 23 будет вытесняться через холодильник 29, выточку в пробке 31 газораспределителя 18 и межтрубное пространство противоточного теплообменника 38 (где оно отберет теплоту от каналов 34 встречного горячего потока р.т.) в равную по размеру приемную плунжерную полость 22 горячего цилиндра 3, вследствие чего температура и давление р.т. будут возрастать, см. изохору 3-4 на диаграмме P,V.

Одновременно будет происходить процесс вытеснения горячего р.т., оставшегося после выхлопа, из полости расширения 21 в близкую по размеру приемную полость 24 холодного цилиндра 2 через подогреватель 26, канал 33 пробки 28 газораспределителя 19, каналы 34 противоточного теплообменника 38 (где его теплота будет отобрана встречным холодным потоком р.т.) и далее через канал 35 пробки 31 газораспределителя 18 и холодильник 32 в приемную полость 24 холодного цилиндра 2, вследствие чего давление и температура р.т. будут падать. На диаграмме P,V см. политропу 6-1.

В результате, при подходе поршневых групп 4 и 5 к верхней мертвой точке, см. фиг.1 и 5, все р.т. из плунжерной полости 23 холодного цилиндра 2 будет вытеснено в приемную плунжерную полость 22 горячего цилиндра 3, а все горячее р. т. из полости расширения 21 будет вытеснено в приемную полость 24 холодного цилиндра 2, и затем (см. фиг.4) каналы 34 и межтрубное пространство противоточного теплообменника 38 сообщатся посредством пробок 31 и 28 газораспределителей 18 и 19 друг с другом, т.е. система придет в исходное положение, и вновь начнется внутрицилиндровый газообмен, как показано на фиг.4.

Из вышеизложенного следует, что в предлагаемом устройстве двигателя реализован новый способ, при котором рабочее тело во время цикла разделено на две изолированные друг от друга группы, за исключением момента выхлопа-наддува, что позволяет избежать скругления диаграммы P,V в реальном цикле и дает возможность обеспечить большее количество р.т. в рабочем такте и меньшее в такте сжатия, в результате чего термодинамический кпд становится выше, чем в цикле Карно, а это позволяет строить двигатели с внешним подводом теплоты с лучшими, чем в известных тепловых двигателях относительным и абсолютным показателями.

Формула изобретения

1. Устройство двигателя, содержащее горячий и холодный цилиндры двойного действия, сообщенные друг с другом газообменным трактом через посредство подогревателя газораспределительного устройства, холодильники и газообразное рабочее тело, заполняющее все полости под избыточным давлением, а расположенные в цилиндрах поршни установлены на общем плунжере, кинематически связанном с силовым механизмом отбора мощности, отличающееся тем, что плунжерная и поршневая полости холодного цилиндра сообщены друг с другом посредством газообменного тракта, снабженного раздельными холодильниками, один из которых сообщен посредством клапана наддува с полостями холодного цилиндра, а система газораспределения выполнена в виде вращающихся пробковых газораспределителей, связанных с валом отбора мощности кинематикой, обеспечивающей снижение их числа оборотов по сравнению с числом оборотов вала отбора мощности, а отбор мощности производят через посредство эксцентрикового силового механизма, жестко связанного через шток с плунжерно-поршневой группой.

2. Способ работы двигателя путем заполнения газообразным рабочим телом под избыточным давлением горячего и холодного цилиндров двойного действия, сообщенных друг с другом газообменным трактом через посредство подогревателя газораспределительного устройства и холодильники, отличающийся тем, что рабочее тело разделяют на два разобщенных объема таким образом, что в такте расширения количество рабочего тела получают больше, чем в такте его механического сжатия, путем сообщения полостей только для выхлопа рабочего тела из горячего цилиндра в холодный и усреднения давления в обоих цилиндрах, способ описывают в Р, V и Т, S диаграммах изотермой сжатия, политропой наддува, изохорой нагрева-повышения давления, изотермой расширения, политропой выхлопа и политропой охлаждения-понижения давления рабочего тела.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7