Двигун з зовнішнім підведенням теплоти

Винахід відноситься до області теплотехніки, зокрема до пристроїв перетворюючих теплову енергію в механічну і може бути використаним у виробництві різноманітних машин що оснащуються руховими агрегатами, а також електростанцій у сполученні двигуна з електрогенератором. Відомий двигун з зовнішнім підведенням теплоти, двигун Стірлінга (ДС), що містить корпус, нагрівач, холодильник, холодний і гарячий циліндри в яких установлені відповідно робочий поршень і поршень-витискувач, кривошипно-шатунний механізм, і вал відбору потужності [див., наприклад статтю в журналі "Техніка молоді" №7 за 1986р., стор.26]. Недоліком відомого двигуна є складний механізм приводу поршнів, високий тиск заповненого газу в камерах двигуна потребує наявності складних ущільнень, зокрема торцевих ущільнень на виході із корпуса кінців вала відбору потужності. Тому виробництво відомого двигуна є складним і дорогим. Крім того в процесі роботи можливо порушення ущільнень через їхній знос, вихід газу внаслідок цього за межі двигуна, що погіршує його працездатність, знижує надійність експлуатації, зменшує к.к.д. Відомий також двигун з зовнішнім підведенням теплоти що містить корпус, нагрівач, холодильник, робочий поршень і поршень-витискувач установлені в відповідних циліндрах, кривошипно-шатунний механізм і вал відбору потужності. В цьому двигуні корпус, нагрівач і холодильник розташовані вздовж осі вала відбору потужності і закріплені на ньому, кривошипно-шатунний механізм встановлений в корпусі з можливістю обертання навколо осі робочого поршня і вала відбору потужності, а нагрівач має дві камери, які сполучені з внутрішньою порожниною гарячого циліндра по різні сторони поршня-витискувача [див., деклараційний патент України №62230А від 15.12.2003p., автори Шай В.Г. і др.]. Завдяки такій компоновці двигуна, під час його роботи повністю виключена можливість виходу (відтоку) газу (робочого тіла) двигуна за його межі чим досягається довговічність і надійність його роботи. Недоліком відомого двигуна є відносно велика кількість ланок управління роботою двигуна, що збільшує його розміри і ускладнює його виготовлення. Метою винаходу є спрощення конструкції двигуна шляхом оптимізації роботи його окремих ланок. Зазначена мета досягається тим, що робочий поршень і поршень-витискувач жорстко зв'язані між собою, причому поршень-витискувач має діаметр менший діаметра робочого поршня, але більший діаметра зв'язки що сполучає їх. Сутність винаходу пояснюється кресленням на якому зображений запропонований двигун у розтині (Фіг.). Двигун з зовнішнім підведенням теплоти складається з корпуса 1, нагрівача 2, холодильника 3, які розташовані вздовж осі вала відбору потужності 4 і жорстко закріплені на ньому. Вал відбору потужності встановлений в опорах 5. В корпусі виконані циліндри 6 і 7 в яких встановлені робочий поршень 8 і поршеньвитискувач 9. В кришці корпуса виконана порожнина в якій розміщений золотник 10 контактуючий з торцевими. внутрішніми поверхнями поршня-витискувача. Кривошипно-шатунний механізм 11 розташований в окремому блоці, що встановлений в корпусі на опорах кочення. На колінчатому валу кривошипно-шатунного механізму розташовані маховики 12 і конічні шестерні 13, що входять у зачеплення з конічним зубчатим колесом 14 жорстко закріпленим на корпусі 1. Одна з конічних шестерень встановлена на валу з можливістю вільного обертання. Шатун з'єднаний з робочим поршнем 8 за допомогою осі закріпленої в підшипнику, що розміщений в тілі поршня. Камери і порожнини двигуна з'єднуються за допомогою системи трубопроводів 15. Джерело тепла 16 розташоване поблизу камери нагрівача. Камери корпуса 1, нагрівача 2, холодильника 3, а також порожнини циліндрів 6 і 7 заповнені газом, що є робочим тілом теплового двигуна. Умова рівноваги механізмів двигуна, що знаходиться під тиском газу така, при якій в непрацюючому (ви хідному) положенні, міжпоршнева порожнина циліндра 6 сполучена з камерою нагрівача 2, а золотник 10 зміщений вліво таким чином, що камери нагрівача і порожнина холодильника не сполучені між собою. Запропонований двигун працює наступним чином: Включають джерело тепла 16. Під дією тепла відбувається нагрівання газу в камері нагрівача 2. При нагріванні, тиск газу в камері нагрівача збільшується, а через те що камера нагрівача сполучена з порожниною циліндра 6, то в зазначеній порожнині тиск газу теж підвищується. Внаслідок підвищення тиску газу в порожнині циліндра, збільшуються сили тиску які діють на поршень-витискувач 9 і робочий поршень 8. Ці сили направлені в протилежні одна до одної сторони і дорівнюють кожна з них добутку величини тиску газу на площу круга відповідного поршня. Оскільки поршень-витискувач має менший діаметр ніж робочий поршень, то сила яка діє на нього буде меншою сили тиску яка діє на робочий поршень. Із збільшенням температури газу в камері нагрівача, тиск в порожнині циліндра 6 збільшується. При цьому при зростанні величини тиску в міжпоршневій порожнині циліндра, різниця сил тиску на робочий поршень і поршень-витискувач збільшується. З боку кривошипношатунного механізму 11 з інерційними маховиками 12 і шестернями 13, на робочий поршень діє сила тертя спокою цього механізму яка протидіє силі тиску газу що дорівнює добутк у величини тиску газу на різницю площ робочого поршня і поршня-витискувача. При досягненні величини тиску газу деякого значення, при якому сила тиску стає більшою за силу тертя спокою, робочий поршень і поршень-витискувач починають переміщатися вправо. Пройшовши деякий шлях, поршень-витискувач відкриває доступ газу від камери нагрівача до своєї надпоршневої зони. Внаслідок цього різко збільшується сила тиску газу на поршень завдяки збільшенню площі на яку тисне газ зі сторони нагрівача. Поршень-витискувач і сполучений з ним робочий поршень значно прискорює свій рух вправо. При русі, поршень за допомогою шатуна призводить в обертання колінчатий вал з маховиками 12 і шестернями 13. При обертанні колінчатого вала, маховики запасають кінетичну енергію, а газ який знаходиться в порожнині холодильника 3 стискується. При підході поршня-витискувача до правої крайньої (нижньої мертвої) точки, він своєю внутрішньою торцевою поверхнею діє на шток золотника 10, зміщає його вправо і відкриває тим самим доступ газу від камери нагрівача 2 в порожнину холодильника 3. Тиск газу внаслідок цього в порожнині холодильника зростає, а в камері нагрівача падає. Робочий поршень перейшовши праву крайню (нижню мертву) точку під дією тиску газ у холодильника і інерційних сил маховиків кинеться вліво. На поршень-витискувач зі сторони холодильника також діє тиск газу, але сила тиску на нього менше сили тиску яка діє на робочий поршень, із-за меншої його активної площі. Тому поршень-витискувач, при русі робочого поршня вліво, витискує газ із порожнини циліндра 6 в порожнину холодильника 3. При підході поршня витискувача до лівої крайньої (верхньої мертвої) точки, він своєю внутрішньою поверхнею діє на шток золотника який відокремлює порожнини холодильника і камери нагрівача. Газ, який поступив із нагрівача в холодильник, через стінки холодильника віддає своє тепло в навколишнє середовище, а також охолоджується внаслідок виконаної роботи, переміщення робочого поршня вліво. Внутрішня енергія газу замкнутого в камері нагрівача, внаслідок виконаної ним роботи, значно зменшена, кількість газу який знаходиться в нагрівачі після викиду його в холодильник в попередньому циклі достатньо мала, тому силова дія газу на поршень практично відсутня. Але робочий поршень перейшовши ліву крайню точку, під дією накопиченої кінетичної енергії маховиків за їх повний оберт від дії сили поршня, кинеться вправо. Поршень-витискувач при цьому втягує за собою в порожнину циліндра 6 залишкову частину газу із камери нагрівача. Тиск газу в нагрівачі зменшується, а в холодильнику збільшується внаслідок стискання його робочим поршнем. Тепло від стискання газу відводиться від стінок холодильника в навколишнє середовище. При підході робочого поршня до крайньої правої точки, поршеньвитискувач діє на золотник 10 який відкриває канали що сполучають порожнину холодильника з камерою нагрівача, в яку по трубопроводу 15 через велику різницю тиску кинеться газ із холодильника. Робочий поршень, перейшовши нижню мертву точку, під дією тиску газу в холодильнику маючи більшу активну площу ніж поршеньвитискувач, переміщується вліво. Поршень-витискувач при цьому витискує залишки газу в порожнині циліндра 6 в камеру нагрівача, і при підході до верхньої мертвої точки, діючи на золотник, відокремлює порожнину холодильника від камери нагрівача. Газ який поступив із холодильника в нагрівач нагрівається, тиск його збільшується. Оскільки газ перетікав в камеру нагрівача потоком і через те активно контактував зі стінками нагрівача, швидкість його нагрівання достатньо велика і до моменту руху робочого поршня від верхньої мертвої точки вправо, тиск його піднімається до рівня який дозволяє з прискоренням переміщати робочий поршень. Завдяки цьому, під дією збільшеної сили тиску газу, поршень кинеться вправо, і далі цикл роботи двигуна повторюється. Зворотно-поступальне переміщення робочого поршня перетворюється за допомогою кривошипне шатунного механізму в обертальний рух колінчатого вала з маховиками і конічними шестернями, одна з яких жорстко пов'язана з валом і передає крутячий момент зубчатому колесу, а інша встановлена з можливістю вільного обертання. Тому що кривошипно-шатунний механізм розміщений в окремому блоці, встановленому в корпусі на підшипниках, а шатун сполучений із робочим поршнем за допомогою вісі, розміщеної в підшипнику замкнутому в тілі поршня, то при обертанні шестерні що знаходиться в зачепленні із зубчатим колесом і жорстко закріпленої на колінчатому валі, шестерня відшто вхуючись своїми зубами від колеса повідомляє йому обертання, одночасно з цим проводячи в обертання в оберненому напрямку і весь блок що складається з кривошипно шатунного механізму. Силами що перешкоджають обертанню блока і отже є для нього опорними, є сила опору обертанню площин маховиків 12 у середовищі ущільненого газу, а також гіроскопічна сила маховиків, що тим більша чим більша частота обертання колінчатого валу. Тому при зменшенні навантаження на валі відбору потужності, частота обертання його буде зростати, при збільшенні навантаження, відносна швидкість обертових механізмів корпуса і блока кривошипно-шатунного механізму залишаючись постійною щодо один одного, змінюється, зокрема для кожного з них щодо умовної нерухомої системи. Обертання корпуса з валом відбору потужності зменшується, при цьому зростає момент що крутить, на валі відбору потужності, внаслідок збільшення частоти обертання блоку кривошипне шатунного механізму і опорних сил. Таким чином силовий і швидкісний режими роботи двигуна в залежності від навантаження на валі відбору потужності підтримується автоматично. По закінченні роботи, джерело тепла 12 відключають, камера нагрівача охолоджується, і під дією тиску холодного газу система приходить до стану рівноваги, при якому робочий поршень, перейшовши верхню мертву точку, знаходиться в лівому положенні, золотник 10 усун утий вліво так, що камера нагрівача 2 і порожнина холодильника 3 відокремлені одне від одного. Під час роботи, завдяки особливому компонуванню двигуна цілком виключена можливість виходу (відтоку) газу (робочого тіла) двигуна за його межі, чим досягається довговічність і надійність його роботи. Сполучення робочого поршня і поршня-витискувача з умовою переважаючих розмірів діаметра робочого поршня, спрощує конструкцію двигуна і зменшує його розміри.