Поршневой двигатель замкнутого цикла
Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания. Техническим результатом изобретения является увеличение мощности на единицу массы двигателя и, как следствие, повышение экономической эффективности. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель включает нагреватель, рабочий цилиндр с поршнем, штоком и шатуном; цилиндр компрессора с поршнем, штоком и шатуном; коленчатый вал, регенератор надпоршневого пространства, регенератор подпоршневого пространства, охладитель, впускной клапан надпоршневого пространства, впускной клапан подпоршневого пространства, выпускной перекидной клапан надпоршневого пространства, выпускной перекидной клапан подпоршневого пространства. Рабочий цилиндр может иметь также нагрев, а цилиндр компрессора - охлаждение. Диаметр рабочего цилиндра больше диаметра цилиндра компрессора. Заявляемый двигатель - двойного действия с замкнутым тепловым циклом, подобным циклу классического двигателя Эриксона с теоретическим коэффициентом полезного действия до 70%. Замкнутый тепловой цикл позволяет использовать в качестве рабочего тела азот, диоксид углерода, инертные газы, их смеси и другие газы. Нагрев рабочего тела производится в общем котле-нагревателе и рабочем цилиндре, а охлаждение в общем охладителе и цилиндре компрессора по замкнутому тепловому циклу с начальным давлением рабочего тела, газа выше атмосферного. 1 ил.
Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания типа Эриксон.
Наиболее близким по технической сути, аналогом и прототипом, является двигатель внешнего сгорания Эриксона [1, стр. 4, рис. 1]. В двигателе Эриксона нагрев рабочего тела, газа происходит при постоянной температуре, это примерно изотермический процесс. Классический двигатель Эриксона в качестве рабочего тела использует атмосферный воздух, а охладитель - атмосфера с ее давлением и температурой. Такой двигатель получается с малой удельной мощностью в отношении массы двигателя, очень тяжелый и дорогой. Теоретический коэффициент полезного действия двигателей внешнего сгорания может достигать 70% [1, стр. 7].
Задачей изобретения является при сохранении достоинства прототипа как высокий теоретический коэффициент полезного действия, конструкцию сделать не дорогой, увеличить мощность на единицу массы, предусмотреть возможность двойного действия двигателя. Указанный технический результат достигается тем, что используется замкнутый цикл с охладителем и рабочим телом, газом или паром, давления выше атмосферного. При равных перепадах температур линейное увеличение начального давления в охладителе вызовет, приведет к примерно линейному увеличению перепада давления или увеличения объема рабочего тела при этом нагреве. Следовательно, примерно линейно увеличится удельная мощность в отношении массы двигателя. Используя, как рабочее пространство, объем над и под поршнями, рабочим цилиндром и цилиндром компрессора, получим двигатель двойного действия. Как следствие, все это сделает двигатель типа Эриксон с замкнутым циклом, имеющим мощность на единицу массы двигателя больше, чем у прототипа.
Сопоставимый анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА имеет выше мощность на единицу массы двигателя в сравнении с прототипом. Автору не известна подобная конструкция. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с прототипом позволило выявить в нем признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Изобретательский уровень».
Сущность технического решения подтверждается чертежом (фиг. 1), на котором представлен вариант конструкции ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА двойного действия, где один общий нагреватель 1; рабочий цилиндр 2, его поршень со штоком 13 и шатуном 11; цилиндр 4 компрессора и его поршень со штоком 14, шатун 12; регенератор 3 надпоршневого пространства; один общий охладитель 5; регенератор 15 подпоршневого пространства; впускные клапаны 6, 8 рабочего цилиндра 2; выпускные и перекидные клапаны 7 и 9 рабочего цилиндра; впускные клапаны 18 и 19 цилиндра компрессора; выпускные и перекидные клапаны 16 и 17 цилиндра компрессора; коленчатый вал 10. В заявляемом двигателе двойного действия нагреватель 1 общий и работает весь цикл, а охладитель 5 рабочего тела общий и работает весь цикл. Рабочий цилиндр 2 может иметь также нагрев, а цилиндр 4 компрессора - охлаждение.
Регенератор 3 нагревается отработанным горячим газом из надпоршневого пространства рабочего цилиндра 2, этот газ попадает через охладитель 5 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора во время выпуска, а нагревает охлажденный газ, поступающий из цилиндра 4 компрессора через регенератор 3 в нагреватель 1 и надпоршневое пространство рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода.
Регенератор 15 нагревается отработанным горячим газом из подпоршневого пространства рабочего цилиндра 2, этот газ поступает через охладитель 5 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора во время выпуска, а нагревает охлажденный газ, поступающий из цилиндра 4 компрессора в нагреватель 1 и подпоршневое пространство рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода. Впускной клапан 6 открыт только во время рабочего хода в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2. Впускной клапан 8 открыт только во время рабочего хода в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2. Выпускной перекидной клапан 7 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из надпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 7 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из подпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Поршень 13 со штоком рабочего цилиндра 2 и поршень 14 со штоком цилиндра 4 компрессора двигаются в противофазе. Выпускной перекидной клапан 16 закрывает выпускной канал цилиндра 4 компрессора во время выпуска в надпоршневом пространстве и одновременно открывает канал поступления горячего отработавшего газа из надпоршневого пространства рабочего цилиндра 2 через регенератор 3, охладитель 5 и клапан 19 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 16 открывает, при рабочем ходе в надпоршневом пространстве, канал поступления холодного газа из цилиндра 4 компрессора через регенератор 3 и нагреватель 1, клапан 6 в рабочий цилиндр 2. Выпускной перекидной клапан 17 закрывает выпускной канал цилиндра 4 компрессора во время выпуска в подпоршневом пространстве и одновременно открывает канал поступления горячего отработавшего газа из подпоршневого пространства рабочего цилиндра 2 через регенератор 15, охладитель 5 и клапан 18 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 17 открывает, при рабочем ходе в подпоршневом пространстве, канал поступления холодного газа из цилиндра 4 компрессора через регенератор 15 и нагреватель 1, клапан 8 в рабочий цилиндр 2. Заявляемый двигатель двойного действия, с замкнутым тепловым циклом, имеет технологию тепловых процессов, подобную прототипу, следовательно, теоретический коэффициент полезного действия до 70%, а мощность, в соответствии с начальным давлением рабочего тела, на единицу массы двигателя выше, чем у прототипа.
Для понимания сущности технического решения предлагаемого автором приведу подробное описание ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА. На фиг. 1 представлен вариант конструкции заявляемого двигателя двойного действия, где один общий нагреватель 1; рабочий цилиндр 2, его поршень со штоком 13 и шатуном 11; цилиндр 4 компрессора и его поршень со штоком 14, шатун 12; регенератор 3 надпоршневого пространства; один общий охладитель 5; регенератор 15 подпоршневого пространства; впускные клапаны 6, 8 рабочего цилиндра 2; выпускные и перекидные клапаны 7 и 9 рабочего цилиндра; впускные клапаны 18 и 19 цилиндра компрессора; выпускные и перекидные клапаны 16 и 17 цилиндра компрессора; коленчатый вал 10.
В заявляемом двигателе двойного действия нагреватель 1 общий и работает весь цикл, охладитель 5 рабочего тела общий и работает весь цикл. Рабочий цилиндр 2 может иметь также нагрев, а цилиндр 4 компрессора - охлаждение. Регенератор 3 нагревается отработанным горячим газом из надпоршневого пространства рабочего цилиндра 2, этот газ попадает через охладитель 5 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора во время выпуска, а нагревает охлажденный газ, поступающий из цилиндра 4 компрессора через регенератор 3 в нагреватель 1 в надпоршневое пространство рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода. Регенератор 15 нагревается отработанным горячим газом из подпоршневого пространства рабочего цилиндра 2, этот газ поступает через охладитель 5 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора во время выпуска, а нагревает охлажденный газ, поступающий из цилиндра 4 компрессора в нагреватель 1 и подпоршневое пространство рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода. Впускной клапан 6 открыт только во время рабочего хода в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2. Впускной клапан 8 открыт только во время рабочего хода в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2. Выпускной перекидной клапан 7 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из надпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 7 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из подпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Поршень 13 со штоком рабочего цилиндра 2 и поршень 14 со штоком цилиндра 4 компрессора двигаются в противофазе. Выпускной перекидной клапан 7 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из надпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 7 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в надпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 закрывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время рабочего хода в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно открывает канал поступления охлажденного газа в нагреватель 1 из подпоршневого пространства цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 9 открывает выпускной канал рабочего цилиндра 2 во время выпуска в подпоршневом пространстве рабочего цилиндра 2 и одновременно закрывает канал поступления нагретого газа из нагревателя 1 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Поршень 13 со штоком рабочего цилиндра 2 и поршень 14 со штоком цилиндра 4 компрессора двигаются в противофазе. Выпускной перекидной клапан 16 закрывает выпускной канал цилиндра 4 компрессора во время выпуска в надпоршневом пространстве и одновременно открывает канал поступления горячего отработавшего газа из надпоршневого пространства рабочего цилиндра 2 через регенератор 3, охладитель 5 и клапан 19 в надпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора.
Выпускной перекидной клапан 16 открывает, при рабочем ходе в надпоршневом пространстве, канал поступления холодного газа из цилиндра 4 компрессора через регенератор 3 и нагреватель 1, клапан 6 в рабочий цилиндр 2. Выпускной перекидной клапан 17 закрывает выпускной канал цилиндра 4 компрессора во время выпуска в подпоршневом пространстве и одновременно открывает канал поступления горячего отработавшего газа из подпоршневого пространства рабочего цилиндра 2 через регенератор 15, охладитель 5 и клапан 18 в подпоршневое пространство цилиндра 4 компрессора. Выпускной перекидной клапан 17 открывает, при рабочем ходе в подпоршневом пространстве, канал поступления холодного газа из цилиндра 4 компрессора через регенератор 15 и нагреватель 1, клапан 8 в рабочий цилиндр 2. Поршень 17 со штоком рабочего цилиндра 2 через шатун 11, а поршень 14 со штоком цилиндра 4 компрессора через шатун 12 двигаются в противофазе коленчатым валом 10. Впускные клапаны 6, 8, 18, 19 и выпускные перекидные клапаны 7, 9, 16, 17 можно приводить в движение от коленчатого вала 10 в соответствии с фазами рабочего хода или выпуска в над-, подпоршневых пространствах рабочего цилиндра 2 и цилиндра 4 компрессора. Рабочее тело, газ перемещается через нагреватель 1 только во время рабочего хода и в одном направлении, в рабочий цилиндр 2. Отработавший газ перемещается через охладитель 5 во время выпуска в одном направлении через регенераторы 3, 15 в цилиндр 4 компрессора, минуя нагреватель 1. Это улучшает технологию тепловых процессов. Заявляемый двигатель имеет технологию тепловых процессов, подобную прототипу, следовательно, теоретический коэффициент полезного действия до 70%.
Заявляемый двигатель имеет замкнутый тепловой цикл, при равных перепадах температур линейное увеличение начального давления в охладителе вызовет, приведет к примерно линейному увеличению перепада давления или увеличения объема рабочего тела при этом нагреве. Следовательно, примерно линейно увеличится удельная мощность в отношении массы двигателя. Заявляемый двигатель имеет замкнутый тепловой цикл, что позволяет использовать в качестве рабочего тела азот, диоксид углерода, инертные газы, их смеси и другие газы. Конструкция двигателя двойного действия также увеличивает удельную мощность. Следовательно, мощность на единицу массы двигателя выше, чем у прототипа.
Следовательно, производство поршневых двигателей с замкнутым циклом будет экономически эффективнее, чем классического двигателя Эриксона.
Источники информации
1. Г.В. Смирнов. Двигатели внешнего сгорания. - М.: Знание, 1967. 30 с.
2. Г. Уокер. Машины, работающие по циклу Стерлинга. - М.: Энергия, 1978. 152 с.
Поршневой двигатель замкнутого цикла двойного действия, включающий в себя нагреватель; рабочий цилиндр с нагревом, с поршнем, штоком и шатуном; цилиндр компрессора с охлаждением, с поршнем, штоком и шатуном; при этом диаметр рабочего цилиндра больше диаметра цилиндра компрессора, коленчатый вал; регенератор надпоршневого пространства; регенератор подпоршневого пространства; охладитель, впускные клапаны надпоршневого пространства; впускные клапаны подпоршневого пространства, выпускные перекидные клапаны надпоршневого пространства; выпускные перекидные клапаны подпоршневого пространства, отличающийся тем, что процесс нагрева, регенерации и охлаждения рабочего тела регулируется клапанами, с тем чтобы нагрев производился только во время рабочего хода одновременно нагревателем и нагреваемым рабочим цилиндром, или одним нагревателем, рабочий поршень и компрессорный поршень двигаются в противофазе в надпоршневом и подпоршневом пространстве цилиндров двигателя, а охлаждение, при выпуске отработавшего рабочего тела из рабочего цилиндра, производилось одновременно охладителем и охлаждаемым цилиндром компрессора, или одним охладителем, при раздельных регенераторах для подпоршневого и надпоршневого пространства цилиндров двигателя, при замкнутом тепловом цикле и начальном давлении рабочего тела в двигателе выше атмосферного.
