Двигун із зовнішнім підводом теплоти /дзпт/

Двигун із ЗОВНІШНІМ підводом теплоти, що складається з рами, що містить два напівкорпуси і проставку, регенератора, передавального механізму, що містить вал, котрий спирається на два підшипники, закріплені у напівкорпусах, і має два маховики з противагами, першої циліндропоршневої групи, що містить стакан, підігрівний циліндр, витискувальний поршень і шатун, причому витискувальний поршень має тонкостінний витискувач, а стакан прикріплений до циліндра, другої циліндропоршневої групи, що містить охолоджуваний циліндр, робочий поршень і шатун, причому обидва циліндри прикріплені до рами, їхні об'єми з'єднані за допомогою трубопроводів, а шатуни приєднані до маховиків передавального механізму за допомогою шатунних пальців таким чином, що витискувальний і робочий поршні, а також нерухомо з'єднані з ними деталі переміщаються з взаємним зрушенням по фазі у відношенні описуваних ними об'ємів, який відрізняється тим, що вал передавального механізму має ведучу зірочку, розташовану між опорними підшипниками, стакан першої циліндропоршневої групи має ЗОВНІШНІ ребра для підводу тепла, підігрівний циліндр в області з'єднання зі стаканом має внутрішні подовжні ребра, з вершинами яких нерухомо з'єднане трубча сте огородження, а поза областю з'єднання зі стаканом зовнішня поверхня підігрівного циліндра має ТОНКОСТІННІ ребра для відводу тепла, проміжний і торцевий фланці, причому ТОНКОСТІННІ ребра розташовані між фланцями, а проміжний фланець з'єднаний з рамою, також з ділянкою внутрішньої поверхні підігрівного циліндра між торцевим фланцем і найближчим до нього охолодним ребром нерухомо з'єднана тонкостінна гільза, що поза ділянкою з'єднання основною частиною довжини не контактує з внутрішньою поверхнею циліндра, а з гільзою своєю бічною поверхнею, котра має антифрикційне покриття, сполучений витискувальний поршень, з'єднаний з витискувачем своїм днищем через пустотілу втулку і котрий також має внутрішній стакан, причому підбобишкові стінки стакана мають симетричні радіусні вирізи по напрямках хитання шатуна, а бобишки стакана з'єднані з поршневим пальцем, на торцевому фланці підігрівного циліндра закріплено не менш двох форсунок для подачі охолодної рідини (води) на незв'язану з внутрішнім стаканом поверхню витискувального поршня, охолоджуваний циліндр другої циліндропоршневої групи має зовнішню сорочку охолодження і внутрішні подовжні ребра, з вершинами яких і циліндром з'єднана гільза, робочий поршень має антифрикційне покриття бічної поверхні, сполученої з внутрішньою поверхнею гільзи, поршневі кільця з антифрикційного матеріалу і тонкостінний витискувач, прикріплений до днища, а матриця регенератора розміщена в корпусі, установленому на рамі і з'єднаному трубопроводами з об'ємами підігрівного і охолоджуваного циліндрів Передбачуваний винахід відноситься до теплових двигунів, зокрема, до тих з них, у яких теплота від спалювання палива чи від іншого її джерела підводиться до робочого тіла через ЗОВНІШНІ поверхні підігрівних (витискувальних) циліндрів, а відводиться також через ЗОВНІШНІ поверхні охолоджуваних (робочих) циліндрів Уже відомий ДЗПТ, що складається з рами, що містить два півкорпуси і проставку, передавального механізму, що містить вал, котрий спирається на два закріплені у півкорпусах рами підшипники і має два маховики, першої циліндропоршневої групи, що містить стакан, витискувальний циліндр, сорочку охолодження, стопорне кільце, охолоджувач, витискувальний поршень, шток і виделчастий шатун, другої циліндропоршневої групи, що міс ю о> CO О ю 50395 тить стакан, робочий циліндр, робочий поршень і шатун, причому обидва циліндри прикріплені до рами, їхні об'єми з'єднані трубопроводом, а шатуни двох циліндропоршневих груп приєднані до маховиків передавального механізму за допомогою шатунних пальців таким чином, що робочий і витискувальний поршні переміщаються з взаємним зрушенням по фазі у відношенні описуваних ними об'ємів, також у першої циліндропоршневої групі витискувальний поршень має тонкостінний витискувач і з'єднаний зі штоком, що з'єднаний із шатуном через палець, а охолоджувач має радіальне орієнтовані щілини і подовжній канал для штока, сорочка охолодження зафіксована між стопорним кільцем і фланцем витискувального циліндра через торцеві ущільнення, а це кільце і стакан з'єднані з витискувальним циліндром в області, протилежній фланцю цього циліндра, у другій циліндропоршневій групі стакан з'єднаний з робочим циліндром, робочий поршень має сполучені з цим циліндром ущільнюючі кільцеві виступи і з'єднаний із шатуном через вісь і два півпальці, що центрують шатун (Motor Experimental PLANO 4 1/J Pneto 1986) Недоліками цього відомого ДЗПТ є недостатня площа поверхонь гладкого стакана першої циліндропоршневої групи, куди підводиться теплота від зовнішнього джерела і ВІДКІЛЯ ВІДВОДИТЬСЯ теплота робочим газом, неможливість відбору потужності від вала передавального механізму за допомогою привода ведучої зірочки Прототипом обраний відомий ДЗПТ, що найбільш близький по конструкції до винаходу і складається з рами, що містить два півкорпуси і проставку, передавального механізму, що містить вал, що спирається на два підшипники, закріплених у півкорпусах рами, і має два маховики з противагами, першої циліндропоршневої групи, що містить стакан, підігрівний циліндр, витискувальний поршень, регенератор, шток, шатун і сорочку охолодження, другий циліндропоршневої групи, що містить стакан, охолоджуваний циліндр, робочий поршень і шатун, причому обидва циліндри прикріплені до рами, їхні об'єми з'єднані трубопроводом, а шатуни обох циліндропоршневих груп приєднані до маховиків передавального механізму таким чином, що робочий і витискувальний поршні переміщаються з взаємним зрушенням по фазі у відношенні описуваних ними об'ємів, також у першої циліндропоршневої групі витискувальний поршень має тонкостінний витискувач і з'єднаний із шатуном через шток і палець, регенератор встановлений усередині штокової порожнини підігрівного циліндра і має радіальне орієнтовані щілини і канал для штока, а стакан і сорочка охолодження з'єднані з різними ділянками зовнішньої поверхні цього циліндра, суміжними ВІДПОВІДНО безштоковій і штоковій його порожнинам (Зуев А А , Ялпачик В Ф К вопросу оптимизации основных параметров двигателей с внешним подводом теплоты// Труды ТГАТА Мелітополь, 1999 Вип 2, т Ю С 56-59) До недоліків цього пристрою-прототипу відносяться 1) Неможливість істотно підвищити індикаторний крутний момент і роботу циклу при помірному тиску робочого газу, внаслідок недостатньої площі поверхні гладкого стакана першої циліндропоршневої групи й охолоджуваного циліндра другий циліндропоршневої групи 2) Неможливість істотно підвищити ККД циклу внаслідок підвищених утрат теплоти уздовж підігрівного циліндра (у напрямку сорочки охолодження) і витискувального поршня, а також недостатньо ефективної регенерації теплоти робочого газу внаслідок нераціонального розташування регенератора 3) Недостатня ДОВГОВІЧНІСТЬ деталей першої циліндропоршневої групи при збільшенні нагрівання її гладкого стакана, підвищені втрати енергії при терті штока об ущільнення і робочого поршня об свій циліндр, підвищений знос з'єднання штока із шатуном, незахищеного від пилу, підвищені витоки робочого газу з циліндропоршневих груп, неможливість відбору потужності від вала передавального механізму за допомогою привода ведучої зірочки В основу винаходу покладена задача удосконалення ДЗПТ, у якому за рахунок зміни конструкції обох циліндропоршневих груп, а також раціонального розташування матриці регенератора підвищені ККД циклу, потужність і надійність, а за рахунок того, що вал передавального механізму має ведучу зірочку, можливий відбір потужності Рішення даної задачі досягається тим, що у відомому ДЗПТ, що складається з рами, що містить два напівкорпуси і проставку, регенератора, передавального механізму, що містить вал, що спирається на два підшипники, закріплених у півкорпусах, і має два маховики з противагами, першої циліндропоршневої групи, що містить стакан, підігрівний циліндр, витискувальний поршень і шатун, причому витискувальний поршень має тонкостінний витискувач, а стакан прикріплений до циліндра, другої циліндропоршневої групи, що містить охолоджуваний циліндр, робочий поршень і шатун, причому обидва циліндри прикріплені до рами, їхні об'єми з'єднані за допомогою трубопроводів, а шатуни приєднані до маховиків передавального механізму за допомогою шатунних пальців таким чином, що витискувальний і робочий поршні, а також нерухомо з'єднані з ними деталі переміщаються з взаємним зрушенням по фазі у відношенні описуваних ними об'ємів, ВІДПОВІДНО ДО винаходу, вал передавального механізму має ведучу зірочку, розташовану між опорними підшипниками, стакан першої циліндропоршневої групи має ЗОВНІШНІ ребра для підводу тепла, підігрівний циліндр в області з'єднання зі стаканом має внутрішні подовжні ребра, з вершинами яких нерухомо з'єднане трубчасте огородження, а поза областю з'єднання зі стаканом зовнішня поверхня підігрівного циліндра має ТОНКОСТІННІ ребра для відводу тепла, проміжний і торцевий фланці, причому ТОНКОСТІННІ ребра розташовані між фланцями, а проміжний фланець з'єднаний з рамою, також з ділянкою внутрішньої поверхні підігрівного циліндра між торцевим фланцем і найближчим до нього охолодним ребром нерухомо з'єднана тонкостінна гільза, що поза ділянкою з'єднання основною частиною довжини не контактує з внутрішньою поверхнею циліндра, а з гільзою своєю бічною поверхнею, котра має антифрикційне покриття, сполучений витиску 50395 вальний поршень, з єднаний з витискувачем своїм днищем через пустотілу втулку і також маючий внутрішній стакан, причому підбобишкові стінки стакана мають симетричні радіусні вирізи по напрямках хитання шатуна, а бобишки стакана з'єднані з поршневим пальцем, на торцевому фланці підігрівного циліндра закріплено не менш двох форсунок для подачі охолодної рідини (води) на незв'язану з внутрішнім стаканом поверхню витискувального поршня, охолоджуваний циліндр другої циліндропоршневої групи має зовнішню сорочку охолодження і внутрішні подовжні ребра, з вершинами яких і циліндром з'єднана гільза, робочий поршень має антифрикційне покриття бічної поверхні, сполученої з внутрішньою поверхнею гільзи, поршневі кільця з антифрикційного матеріалу і тонкостінний витискувач, прикріплений до днища, а матриця регенератора розміщена в корпусі, установленому на рамі і з'єднаному трубопроводами з об'ємами підігрівного і охолоджуваного циліндрів За рахунок сукупності перерахованих ознак у запропонованому ДЗПТ підвищуються ККД циклу, потужність і надійність роботи сполучення витискувального поршня і гільзи в першої циліндропоршневої групі, знижуються тертя і витоки робочого газу в сполученні робочого поршня й охолоджуваного циліндра в другої циліндропоршневої групі, можливий добір потужності двигуна від вала передавального механізму за допомогою ланцюгової передачі ККД робочого циклу й індикаторна робота підвищуються, тому що через ЗОВНІШНІ ребра стакана і внутрішні ребра підігрівного циліндра до робочого газу підводиться значний потік тепла, через внутрішні ребра охолоджуваного циліндра робочий газ віддає теплоту потоку охолодної рідини, що проходить через сорочку охолодження, також при витисненні охолодженого газу з охолоджуваного циліндра газ проходить через матрицю регенератора і нагрівається до надходження в підігрівний циліндр, а при витисненні з останнього газ надходить у матрицю регенератора і охолоджується до надходження в охолоджуваний циліндр ДОВГОВІЧНІСТЬ підігрівного циліндра підвищується завдяки наявності тонкостінних тепловідводних ребер на ДІЛЯНЦІ ЗОВНІШНЬОЇ поверхні між двома фланцями, що відводять від циліндра мінімально необхідну КІЛЬКІСТЬ теплоти, і завдяки з'єднанню зі стаканом, котрий має ЗОВНІШНІ ребра, виготовленим з жароміцного матеріалу і перешкоджаючим корозії і деформації циліндра Витискувальний поршень виготовлений з легкого сплаву і захищений від впливу нагрітого робочого газу за допомогою встановленої на ньому пустотілої втулки, з'єднаної з витискувачем, а підведення тепла до бічної поверхні цього поршня обмежене завдяки тому, що сполучена з нею тонкостінна гільза встановлена в підігрівному циліндрі із зазором протягом, більшим ходу витискувального поршня, і подачі охолодної рідини (води) на його поверхню, не сполучену з внутрішнім стаканом, не менш чим із двох форсунок, закріплених на торцевому фланці цього циліндра Крім того, знос бічної поверхні витискувального поршня знижений завдяки її антифрикційному покриттю і зм'якшенню ударів об гільзу при перекладці, що досягається завдяки пружному деформуванню тонкостінної гільзи і підбобишкових стінок внутрішнього стакана цього поршня Обмеження нагрівання витискувального поршня і тонкостінної гільзи, виконаних з матеріалів ВІДПОВІДНО З підвищеним і зниженим тепловим розширенням, сприяє збереженню досить малого зазору в їхньому сполученні і зниженню витоку робочого газу Знос бічної поверхні робочого поршня також знижений завдяки и антифрикційному покриттю, а витік робочого газу завдяки тому, що цей поршень має поршневі кільця з антифрикційного матеріалу Винахід пояснений кресленнями, де на фіг 1 зображений загальний вид ДЗПТ, на фіг 2 -розріз А-А за фіг 1, на фіг 3 - розріз В за фіг 1, і на фіг 4 вид ДЗПТ С за фіг 1 ДЗПТ складається з рами 1, постаченої двома півкорпусами 2 і 3, проставкой 4 і встановленої на плиті 5 з можливістю подовжнього переміщення, передавального механізму, що містить вал 6, підшипники 7 і 8, маховики 9 і 10 із противагами 11 і 12 і з'єднану з валом ведучу зірочку 13, закріпленого на рамі 1 регенератора і двох циліндропоршневих груп Перша циліндропоршнева група складається з жароміцного оребренного стакана 14, нерухомо з'єднаного через жаростійку прокладку 15 з циліндром підігрівним 16, нерухомо з'єднаним із трубчастим огородженням 17 внутрішніх каналів 18 і жароміцною зносостійкою гільзою 19, причому основною частиною довжини вона не контактує з циліндром 16, безконтактне сполученим з бічною поверхнею тонкостінного жароміцного витискувача 20 і котрий має ТОНКОСТІННІ ТЄПЛОВІДВОДНІ ребра 21 і фланці 22 і 23, причому проміжний фланець 22 з'єднаний з рамою 1 з можливістю вертикального зсуву, витискувального поршня 24, постаченого витискувачем 20, прикріпленим до днища поршня 24 через пустотілу втулку 25, і антифрикційним покриттям бічної поверхні, сполученої з гільзою 19, нерухомо з'єднаного із шатуном 27 через поршневий палець 28 і внутрішній стакан 29, виконаний з міцного корозійностійкого матеріалу і котрий має сполучені з пальцем 28 бобишки ЗО, причому підбобишкові стінки стакана 29 мають симетричні радіусні вирізи 31 по напрямках хитання шатуна 27, з'єднаного шатунним пальцем 32 з маховиком 9 До торцевого фланця 23 прикріплено не менш двох форсунок 33 для подачі охолодної води на витискувальний поршень 24 і його внутрішній стакан 29 Друга циліндропоршнева група містить сорочку 34 рідинного охолодження, що з'єднана нижньою частиною з охолоджуваним циліндром 35, з'єднаним з міцною зносостійкою гільзою 36 і маючим перекритими їй внутрішніми каналами 37 і фланець 38, з'єднаний з полицею 39 рами 1 з можливістю бічного зсуву, гільза 36 також безконтактне сполучена з бічною поверхнею міцного тонкостінного витискувача 40, прикріпленого до робочого поршня 41 через проставку 42, причому поршень 41 має антифрикційне покриття бічної поверхні і поршневі кільця 43 з антифрикційного матеріалу, що контактують з гільзою 36, і з'єднаний із шатуном 44 поршневим пальцем 45, зафіксованим різьбовими заглушками 46 у поршні 41, а шатун 44 з'єднаний з маховиком 10 шатунним пальцем 47 Сорочка 34 і охолоджуваний циліндр 35 50395 можуть бути виконані з корозійностійких матеріалів чи постачені ВІДПОВІДНИМИ покриттями поверхонь, обтічних охолодною рідиною Регенератор складається зі з'єднаного з рамою 1 корпуса 48, з'єднаної з ним кришки 49, до яких приєднані трубопроводи 50 і 51, теплопередавальної матриці 52 і перфорованих дисків 53 і 54, причому трубопровід 50 з'єднаний з отвором 55 циліндра підігрівного 16, а трубопровід 51 - з трійником 56, котрий має зворотний клапан, з'єднаним трубопроводом 57 із загальним отвором 58 охолоджуваного циліндра 35 і гільзи 36, а трубопроводом 59 підключеним до джерела робочого тіла (наприклад, компресору) Описаний ДЗПТ діє в такий спосіб Ребра стакана 14 встановлюються в потоці гарячих продуктів згоряння палива, а форсунки 33, котрі установлені на фланці 23 циліндра підігрівного 16, і сорочка 34 приєднуються трубопроводами до загального рідинного насоса чи двох різних насосів Вал 6 необхідно провернути за допомогою стороннього двигуна, використовуючи зірочку 13, з частотою обертання не нижче мінімальної Після цього двигун працює на холостому ході і може приймати навантаження Робочий цикл ДЗПТ здійснюється так При русі робочого поршня 41 у циліндрі 35 у напрямку верхньої мертвої точки (ВМТ), об'єм робочого газу зменшується, одночасно витискувальний поршень 24 у циліндрі 16 рухається до нижньої мертвої точки (НМТ), робочий газ по трубопроводах 57, 51 і 50 через регенератор надходить у простір над витискувачем 20, завдяки чому припиняється охолодження робочого газу і починається його нагрів поверхнями внутрішніх каналів 18 і трубчастого огородження 17 При русі поршня 41 у циліндрі 35 до НМТ об'єм робочого газу збільшується, одночасно витискувальний поршень 24 у циліндрі 16 рухається до ВМТ, робочий газ по трубопроводах 50, 51 і 57 через регенератор надходить у простір над витискувачем 40, при цьому газ продовжує нагріватися і робочий поршень 41 робить корисну роботу Коли витискувальний поршень 24 прийде у ВМТ у циліндрі 16, нагрів робочого газу припиниться і почнеться його охолодження поверхнями каналів 37 і гільзи 36 У момент приходу робочого поршня 41 у НМТ об'єм 8 газу стає максимальним і далі всі процеси повторюються Матриця 52 регенератора протягом циклу накопичує теплову енергію і частково віддає її охолодженому робочому газу, полегшуючи його нагрів, і сприймає теплоту від нагрітого газу, полегшуючи його охолодження Особливості конструкції описаного ДЗПТ підвищують його надійність Стакан 14 закриває частину зовнішньої поверхні циліндра 16 від агресивних продуктів згоряння і зменшує її деформацію ЗОВНІШНІ ТОНКОСТІННІ ребра 21 циліндра 16 відводять від нього незначний тепловий потік, а їхні периферійні ділянки, завдяки значному градієнту температури, більш МІЦНІ І разом із фланцями 22 і 23 зменшують деформацію іншої частини циліндра 16 Надійність роботи сполучення поршня 24 з гільзою 19 підвищується завдяки тому, що за рахунок установки пустотілої втулки 25 підвищений термічний опір шкідливому тепловому потоку до поршня 24 від витискувача 20, обмежене нагрівання циліндром 16 тонкостінної гільзи 19, сполученої з поршнем 24, а з боку внутрішнього стакана 29 на нього подається охолодна вода форсунками 33 (одночасно це дозволяє зберігати досить малий зазор у цьому сполученні і знизити витік робочого газу), матеріал гільзи 19 зносостійкий, а сполучена з нею поверхня поршня 24 постачена антифрикційним покриттям, удари поршня 24 об гільзу 19, при його періодичних перекладках у площині хитання шатуна 27, зм'якшені завдяки пружним деформаціям гільзи 19 (не контактуючою основною частиною довжини з циліндром 16), підбобишкових стінок внутрішнього стакана 29 і ділянки його з'єднання з поршнем 24, а також можливості ВІДПОВІДНОГО вибору величини дезаксіалу поршневих груп ДЗПТ за рахунок незалежного зсуву циліндрів 16 і 35 щодо рами 1 За рахунок того, що робочий поршень 41 має антифрикційне покриття бічної поверхні, сполученої з гільзою 36, і поршневі кільця 43 з антифрикційного матеріалу, знижуються знос цих деталей, тертя і витік робочого газу Рідинне охолодження частини циліндра 35 поліпшує ВІДВІД теплоти від робочого газу й обмежує нагрівання гільзи 36 і сполучених з нею тертьових деталей 10 50395 fcu It 25 24 29 ЗО 2Я 27 S3 57 ФІГ.1 А-А Фіг 2 Фіг.З 11 12 Фіг 4 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71