ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности к двигателям с внешним подводом теплоты. И предназначено для использования в качестве силовой установки.

Изобретение может быть использовано в автомобилестроении, а также в качестве двигательных устройств морского и речного транспорта. Кроме того, двигатель можно использовать в качестве привода электрических генераторов.

При современном развитии техники остро стоит вопрос о необходимости создания энергетических установок, в которых могут быть использованы различные источники тепловой энергии, не загрязняющие окружающую среду и имеющие низкий уровень шума и вибрации. К таким перспективным силовым установкам можно отнести предлагаемый двигатель.

Упрощенная схема двигателя представлена на рис. 1. В двигателе такты сжатия и расширения осуществляются в разных цилиндрах, соответственно компрессионном 1 и расширительном 2. Цилиндры 1 и 2 связаны между собой через компрессионную 3 и расширительную 4 магистрали. В компрессионной магистрали 3 находится охладитель 5, а в расширительной магистрали 4 находится нагреватель 6. Компрессионная магистраль 3 подключена к компрессионному цилиндру 1 через выпускной клапан 7, а к расширительному цилиндру 2 через впускной клапан 8. Расширительная магистраль 4 подключена к расширительному цилиндру 2 через выпускной клапан 9, а к компрессионному цилиндру 1 через впускной клапан 10. Поршни 11 и 12 цилиндров 1 и 2 связаны с валом двигателя 13 через механизм преобразования движения 14.

Рис. 1. Схема работы ДВПТ

Конструктивно двигатель содержит четыре расширительных и четыре компрессионных цилиндра. Цилиндры расположены поочередно и параллельно, вокруг оси рабочего вала двигателя. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения выполнен в виде косой шайбы, как привод аксиально-поршневого насоса. Сгорание топлива происходит в теплообменной камере. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется через теплообменные трубки. При сжатии рабочего тела осуществляется отвод теплоты через теплообменные трубки и охлаждение рабочего тела в охладителе (радиаторе). Количество рабочего тела (им может быть воздух), заключенного в рабочем объеме двигателя, постоянно и несменяемого. Рабочее тело находится под большим давлением, порядка 40-200 атм.

Внешний вид двигателя:

Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель.

К особенностям предлагаемого двигателя следует отнести:

Высокий к. п. д. Возможность получения высокого к. п. д., а следовательно, и большой экономичности является важной особенностью двигателя. Это связано с полным использованием перепада температуры и давления в цикле. Однако для реализации этих возможностей необходимо преодолеть значительные конструктивные и технологические трудности, и трудности, связанные с подбором материалов для изготовления деталей двигателя.

Различные тепловые источники. Внешний подвод теплоты, используемый в двигателе, позволяет применять различные тепловые источники без каких-либо существенных изменений конструкции двигателя. Практически все ископаемые топлива от твердых до газообразных могут быть непосредственно использованы в двигателе. Для этого двигатель оборудуют камерой сгорания с рекуперативным теплообменником для подогрева воздушного заряда теплотой отработавших газов.
В городах с высокой интенсивностью движения для применения на транспортных средствах большие перспективы имеет двигатель с тепловым аккумулятором.
Преимущество двигателя заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве, как на подводных лодках, так и на спутниках.

Влияние на окружающую среду (токсичность, шум, вибрации). Очевидно, что о токсичности двигателя (в обычном смысле этого понятия) можно говорить только при использовании теплоты сгорания топлива.
Источниками выделения токсичных веществ являются продукты сгорания топлива и испарения его из системы питания. Двигатель работает по замкнутому циклу, поэтому в его картере нет продуктов сгорания и вследствие этого из картера не выделяются токсичные вещества.
Испарение топлива в атмосферу в двигателе значительно меньше, чем у карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, так как топливная система закрытого типа. Практически единственный источник токсичных веществ - продукты сгорания, выходящие в атмосферу из камеры сгорания.
Основными токсичными веществами, содержащимися в продуктах сгорания такого топлива, являются окись углерода СО, несгоревшие углеводороды С_хН_у, окислы азота NO_х, альдегиды, сажа, окислы серы (при использовании сернистых топлив), соединения свинца (для этилированных бензинов).
Оценим токсичность двигателя по выделению окиси углерода, углеводородов, окислов азота, а также по дымности. На эти выделения имеются или вводятся законодательные ограничения. Токсичные продукты неполного сгорания (СО и С_хН_у) являются следствием недостатка кислорода при сгорании (при малых общих или местных коэффициентах избытка воздуха).
Сажа в отработавших газах появляется в тех случаях, когда происходит термическое разложение углеводородного топлива (крекинг) при высоких температурах и недостатке кислорода. Камеры сгорания двигателя подобны камерам сгорания газотурбинных и паровых двигателей. Процесс сгорания в них является стационарным. В таких условиях можно обеспечить достаточно хорошее качество смесеобразования. Воздух, поступающий в камеру сгорания, подогревается в специальном подогревателе отработавшими газами. Очевидно, что выделение токсичных веществ с отработавшими газами в двигателе зависит от коэффициента избытка воздуха при сгорании и температуры воздуха на входе в камеру сгорания.
С увеличением коэффициента избытка воздуха при сгорании уменьшается концентрация СО, С_хН_у и NO_х. Рассмотрение массы токсичных компонентов, выделяющихся при сгорании единицы количества топлива, приводит к такому же выводу. Необходимо отметить очень малые концентрации СО, С_хН_у. Концентрация NO_х уменьшается с ростом коэффициента избытка воздуха из-за более существенного влияния снижения температуры по сравнению с влиянием увеличения количества свободного кислорода в продуктах сгорания. Так как при увеличении коэффициента избытка воздуха КПД двигателя несколько падает, то рациональное значение коэффициента избытка воздуха при сгорании составляет примерно 1,5-1,8.
С повышением температуры воздуха, поступающего в камеру сгорания, при постоянном коэффициенте избытка воздуха содержание продуктов неполного сгорания (СО и С_хН_у) уменьшается, а концентрация NO_х возрастает. КПД двигателя также увеличивается с возрастанием температуры воздуха на входе в камеру сгорания. Уменьшение концентрации СО и С_хН_у объясняется улучшением условий сгорания в более горячем воздухе. Увеличение концентрации NO_х вызвано повышением максимальной температуры сгорания при неизменном коэффициенте избытка воздуха. Температура воздуха на входе в камеру сгорания в двигателе достигает 600-800° С.
Необходимо отметить, что отработавшие газы двигателя не имеют запаха и практически не содержат сажи.
Приведенные выше материалы показывают, что наибольшее влияние на токсичность отработавших газов двигателя оказывают окислы азота. Выделение их может быть уменьшено воздействием на условиях сгорания топлива в камере (уменьшением максимальной температуры и концентрации кислорода). Для понижения температуры в зоне сгорания подбирают соответствующие параметры камеры сгорания или применяют рециркуляцию отработавших газов (как и в двигателях внутреннего сгорания).
Увеличение количества перепускаемых отработавших газов более 33% количества поступающего свежего воздуха нецелесообразно, так как при этом существенно возрастает концентрация СО, а концентрация NO_х уменьшается менее значительно.
Для оценки уровня токсичности двигателя в таблице приведены удельные выделения токсичных веществ в этом двигателе, в дизеле, газовой турбине и карбюраторном двигателе.

Из приведенной таблицы следует, что даже без принятия специальных мер токсичность отработавших газов двигателя значительно ниже токсичности тепловых двигателей других типов.

Низкий уровень шума и вибрации. Основными источниками шума в двигателях внутреннего сгорания являются турбокомпрессор, процесс сгорания, процессы впуска и выпуска, механизм газораспределения, кривошипно-шатунный и вспомогательные механизмы (из-за наличия зазоров в зубчатых зацеплениях, периодически перекрывающихся зазоров в подвижных соединениях и т. п.). Генерацию шума вспомогательными механизмами в двигателях внутреннего, и внешнего сгорания можно принять одинаковой, другие источники шума в двигателе отсутствуют, поэтому уровень шума, производимого работающим двигателем, значительно меньше, чем у двигателя внутреннего сгорания. Внешнее сгорание в двигателе происходит непрерывно и не имеет взрывного характера, благодаря чему при сгорании и выпуске шум почти не генерируется.
Кроме того, давление в цилиндрах двигателя изменяется плавно, практически по синусоидальному закону. Уровень шума этого двигателя в среднем на 20-30 дБ ниже, чем дизеля такой же мощности.

Расход смазочного масла. В двигателях внутреннего сгорания попадание масла в цилиндр, с одной стороны, ведет к выгоранию масла, а с другой, к его старению вследствие соприкосновения с горячими газами и деталями двигателя.
В предлагаемом двигателе масло практически не может попасть в рабочие полости и, кроме того, нигде не соприкасается ни с горячими газами, ни с нагретыми деталями, поэтому не происходит ни выгорания, ни осмоления масла. Вследствие этого в двигателе отпадает необходимость в периодическом добавлении масла. В принципе двигатель может проработать в течение всего моторесурса с первоначально заправленным маслом (если оно с течением времени не изменяет своих качеств под воздействием окружающей среды), которое очищается только от абразивных частиц. Для двигателей большой и средней мощности это является важнейшим экономическим преимуществом (стоимость смазочного масла в 10 раз выше стоимости топлива). Для двигателей малой мощности это значительно уменьшает трудоемкость обслуживания.
Попадание масла в рабочие полости двигателя крайне нежелательное и чрезвычайно вредное явление, так как изменяются свойства рабочего тела и, как следствие, эффективный КПД двигателя. Поэтому в двигателе применяются не смазываемые поршневые кольца, а смазочный материал требуется только для смазки механизма привода и вспомогательных агрегатов. В качестве поршневых уплотнений в двигателе применяются неразрезные кольца из фторопласта или композиционных материалов на основе последнего.

Надежный и быстрый пуск двигателя при низкой температуре. Предлагаемый двигатель, имеющий большое давление рабочего тела во внутренних полостях и достаточно высокую температуру трубок нагревателя, легко пускается при любой температуре окружающей среды. Его пуск зависит исключительно от надежности, с которой может быть воспламенено топливо в камере сгорания. Свеча зажигания, которая объединена с форсункой в одно целое, практически гарантирует пуск двигателя при любых параметрах окружающей среды.

Нечувствительность к пыли окружающего пространства. Так как предлагаемый двигатель - двигатель внешнего сгорания, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из окружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер (в двигателе вентиляция картера не требуется). Вследствие этого в двигателе отсутствует дополнительный абразивный износ движущихся деталей механизма привода. Кроме того, из-за малой скорости движения воздушного заряда и отработавших газов в рекуперативном теплообменнике камеры сгорания (подогревателе воздушного заряда) и в ее распыливающем устройстве коррозия этих деталей незначительна.

Работа с кратковременными перегрузками. Моторесурс двигателей определяется скоростью наступления предела ползучести материала деталей нагревателя, работающих при высокой температуре. С повышением давления рабочего тела во внутренних полостях двигателя скорость наступления предела ползучести возрастает. Тем не менее, кратковременные перегрузки, связанные с повышением давления рабочего тела во внутренних полостях, незначительно уменьшают долговечность двигателя, так как температура деталей нагревателя остается неизменной.
В общем случае любой двигатель может гарантированно выдерживать кратковременную 50-80%-ную перегрузку без заметного снижения долговечности.

Теплоотдача в охлаждающую среду. Вследствие наличия в двигателе замкнутой системы циркуляции рабочего тела теплоотвод практически полностью осуществляется через охладитель, при этом теплоотвод должен происходить при возможно более низких температурах. Поэтому количество теплоты, отводимое в охлаждающую воду, в двигателе приблизительно в 2 раза больше, чем в двигателях внутреннего сгорания, при их одинаковых эффективных КПД. Следовательно, размеры радиатора системы охлаждения двигателей на транспортных средствах получаются больше, чем у двигателей внутреннего сгорания того же назначения.
В судовых двигателях эта особенность не является серьезным недостатком.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЯ ОБЪЕМОМ 1500 см³

"Двигатель с внешним подводом теплоты". Патент № 2105156 от 23 июня 1995г., РФ.

"Двигатель с внешним подводом теплоты". Патент № 2149275 от 31 мая 1999г., РФ.