Двигатель внешнего нагрева

Февраль 19th, 2015

Опубликовано в рубрике Поршневые двигатели

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям внешнего сгорания. Может найти применение на наземных энергетических установках, кораблях, подводных лодках, в том числе на атомных подводных лодках – АПЛ и других объектах предпочтительно находящихся на акватории или недалеко от водных ресурсов.
Схема двигателя запатентована — выдан патент РФ на изобретение № 2528811 «Двигатель внешнего нагрева» — [1] и получены патенты на его применение в различных отраслях народного хозяйства и в оборонной технике. [2]…[6].

Двигатель (рис. 1 и 2) содержит: цилиндр 1, внутри которого расположены рабочий поршень 2 и вытеснительный поршень 3. Двигатель имеет вал 4. В свою очередь цилиндр 1 выполнен их двух частей: нагревательной части 5 и охлаждающей части 6. Для этого цилиндр 1 выполнен пустотелым и содержит торцовую стенку 7 и боковую стенку 8. Боковая стенка 8 выполнена пустотелой и содержит внутреннюю стенку 9 и внешнюю стенку 10 с полостью нагрева 11 и полостью охлаждения 12 между ними. На торцовой стенке 7 цилиндра 1 также может быть выполнена дополнительная полость нагрева 11.
Рабочий поршень 2 установлен на штоке 13, а вытеснительный поршень 3 – на штоке 14, выполненном в виде втулки коаксиально штоку 13. К штоку 13 шарниром 15 присоединен шатун 16, другой конец которого через шарнир 17 соединен с рычагом 18, жестко закрепленном на валу 4.
Вытеснительный поршень 3 установлен на штоке 14. К штоку 14 шарниром 19 присоединен шатун 20, другой конец которого через шарнир 21 соединен с рычагом 22, жестко закрепленном на валу 4.
На валу 4 также может быть закреплен маховик 23.
Цилиндр 1 имеет открытый торец 24, имеющий отверстия 27 для сообщения полости 26 с атмосферой. На нагревательной части 5 цилиндра 1 может быть выполнена тепловая изоляция 30. Кроме того между открытым торцом 24 и рабочим поршнем 2 выполнена «горячая» полость 28, а между рабочим поршнем 2 и вытеснительным поршнем 3 – «холодная» полость 29.
Кроме того, двигатель имеет системы нагрева и охлаждения.
Система нагрева содержит (рис. 1), по меньшей мере, одну полость нагрева 11 на корпусе цилиндре 1, к которой с одной стороны присоединен трубопровод отбора 30 с насосом 31, имеющим привод 32, теплообменник нагрева 33, к выходу которого присоединен трубопровод подачи 34, который соединен с полостью нагрева 11 на другой стороне цилиндра 1. Около теплообменника нагрева 33 установлен нагреватель 35, имеющий регулятор мощности 36.
Система охлаждения содержит, по меньшей мере, одну полость охлаждения 12 внутри цилиндра 1, к которой присоединен трубопровод отбора 37, содержащий насос 38, имеющий привод 39, к выходу которого присоединен теплообменник охлаждения 40, к выходу которого присоединен трубопровод подачи 41, выход которого присоединен к полости охлаждения 12 на другой стороне цилиндра 1.
К теплообменнику охлаждения 40 присоединены заборный трубопровод 42 и трубопровод сброса 43.
Насосы 31 и 38 выполнены с переменной регулируемой производительностью, что достигнуто соединением их с приводами 32 и 39, это позволяет настраивать наиболее оптимальный по экономичности режим работы двигателя.
Двигатель оборудован системой управления с блоком управления 44 (рис. 2), соединенным электрическими связями 45 с приводами 32 и 39 насосов 31 и 38.
Кроме того, система управления может быть оборудована четырьмя датчиками температуры;
— температуры нагревающей среды до теплообменника – 46
— температуры нагревающей среды после теплообменника – 47,
— температуры охлаждающей среды до теплообменника – 48
— температуры охлаждающей среды после теплообменника – 49.
При этом все датчики температуры 46…49 соединены электрическими связями 45 с блоком управления 44.
В качестве нагревателя 35 может быть использованы топливные форсунки, ядерный реактор, химические элементы и т. д.
При использовании изобретения на кораблях или атомных подводных лодках в качестве внешней охлаждающей среды для теплообменника охлаждения 40 (фиг. 1) может использоваться забортная вода, которая подается по заборному трубопроводу 42 и сбрасывается по трубопроводу 43. Это повысит КПД двигателя и позволит использовать бесплатный неограниченный по объему хладоресурс например, морской воды.
Электрическая схема двигателя приведена на фиг. 2. Вал 4 через редуктор 50 и вал 51 присоединен к электрогенератору 52. Электрогенератор 52 электрическими проводами 53 соединен с коммутатором 54. К коммутатору 54 присоединен электродвигатель привода 55 и аккумулятор 56. К аккумулятору 56 электрическими проводами 53 присоединен блок управления 44.
Работа двигателя осуществляется следующим образом.
Одновременно включают системы нагрева и охлаждения (рис. 1…2).
Работа системы нагрева осуществляется следующим образом.
Циркулирующая нагревающая среда отбирается из полостей нагрева 11 по трубопроводу отбора 30, насосом 31 подается в теплообменник охлаждения 33, где охлаждается и далее по трубопроводу 34 возвращается в полости нагрева 11.
Работа системы охлаждения осуществляется следующим образом.
Циркулирующая охлаждающая среда отбирается из полостей охлаждения 12 по трубопроводу 37, насосом 38 подается в теплообменник охлаждения 40, где охлаждается и далее по трубопроводу 41 возвращается в полости охлаждения 12.
За счет применения электронного блока управления 44 с использованием микропроцессора (на рис.1 и 2 микропроцессоры не показаны) и датчиков температуры 46…49 можно автоматически выбрать оптимальные (по экономичности) варианты режима работы двигателя за счет воздействия через приводы 32 и 39 на насосы 31 и 38 при постоянном режиме работы нагревателя 35.
Регулирование режима работы осуществляют регулятором мощности 36 воздействием на нагреватель 35 (рис. 2).
Применение изобретения позволило:
1. Повысить надежность двигателя и увеличить его ресурс до капитального ремонта за счет контроля температуры подаваемой нагревающей среды и недопустимости перегрева цилиндров и поршней.
2. Технико-экономическая эффективность заключается в существенной экономии топлива на частичных нагрузках при практически таком же его удельном расходе на максимальной мощности, как в аналогичном двигателе с обычным искровым зажиганием.
Это достигнуто:
— применением системы охлаждения,
— применением насосов с регулируемой производительностью,
— применением электронной системы управления с блоком управления и воздействием с блока на приводы насосов для повышения КПД до максимума,
— применением датчиков температуры охлаждающей и нагревающей среды, как до, так и после теплообменника, которые контролируют наиболее важные характеристики двигателя, фактически в реальном режиме времени определяющие КПД цикла Стирлинга и КПД двигателя в целом и позволяют вносить коррекцию в режим работы в сторону увеличения КПД воздействием на приводы насосов.
Литература