RU104247U1

RU104247U1 - EXTERNAL HEAT ENGINE

Info

Publication number: RU104247U1
Application number: RU2010107673/06U
Authority: RU
Inventors: Виктор Леонидович Перфилов
Original assignee: Виктор Леонидович Перфилов
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2011-05-10

Abstract

Двигатель с внешним подводом тепла, содержащий теплоизоляционный кожух, вал, зону охлаждения и оснащенную нагревательным элементом зону нагрева, размещенные в кожухе, по меньшей мере, два рабочих цилиндра и расположенные внутри каждого из них поршни, при этом рабочие цилиндры расположены параллельно друг другу и оси кожуха, отличающийся тем, что кожух выполнен цилиндрическим с возможностью осуществления вращения и в виде концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, двигатель включает фланцы, один из которых закрывает клапанная доска с всасывающим и нагнетательным клапанами и каналами для прохождения рабочего тела, клапанная доска закрыта корпусом, в котором выполнены технологические отверстия для прохождения воздуха и крепления вращающего механизма, причем вал с одной стороны присоединен к вращающему механизму, а с другой стороны закреплен в кожухе, при этом рабочие цилиндры расположены по окружности в сформированном наружной и внутренней стенками кожуха межтрубном пространстве и поочередно контактируют с зонами нагрева и охлаждения, в качестве среды для нагрева и охлаждения используют воздух, удаление и подачу которого осуществляют через отверстия, выполненные соответственно в наружной и внутренней стенках кожуха, а двигатель включает эластичную перегородку, выполненную таким образом, чтобы обеспечить беспрепятственный проход через нее рабочих цилиндров при вращении кожуха. An engine with an external heat supply, comprising a heat-insulating casing, a shaft, a cooling zone and a heating zone equipped with a heating element, at least two working cylinders and pistons located inside each of them, the working cylinders being parallel to each other and to the axis casing, characterized in that the casing is made cylindrical with the possibility of rotation and in the form of concentric cylindrical surfaces, the engine includes flanges, one of which closes the valve nai board with suction and discharge valves and channels for the passage of the working fluid, the valve board is closed by a housing in which technological holes are made for the passage of air and the fastening of the rotating mechanism, the shaft being attached to the rotating mechanism on one side and fixed to the casing on the other hand, while the working cylinders are located around the circumference in the annulus formed by the outer and inner walls of the casing and are alternately in contact with the heating and cooling zones, as a medium A heating and cooling air is used, removal and feeding is carried out through holes formed respectively in the outer and inner walls of the housing, and the motor includes an elastic septum adapted so as to ensure unimpeded passage therethrough of working cylinders during rotation of the casing.

Description

Полезная модель относится к двигателестроению и может найти широкое применение при создании двигателей с внешним подводом тепла.The utility model relates to engine building and can be widely used when creating engines with external heat input.

Известен двигатель внешнего сгорания или двигатель с внешним подводом тепла, содержащий рабочий цилиндр с внешним подводом тепла, поршень со штоком, поршень вытеснитель отработанного рабочего газа и тепловой регенератор тепла. В качестве газообразного тела двигателя обычно используют водород или гелий при высоких давлениях 10-14 МПа (100-140 ат) (см. Большая советская энциклопедия. Т.24, книга 1. М. Советская энциклопедия, 1978 г. стр.520).A known external combustion engine or an engine with an external supply of heat, comprising a working cylinder with an external supply of heat, a piston with a rod, a piston, a displacer of the exhaust working gas and a thermal heat regenerator. Hydrogen or helium is usually used as the gaseous body of the engine at high pressures of 10-14 MPa (100-140 bar) (see Big Soviet Encyclopedia. T.24, Book 1. M. Soviet Encyclopedia, 1978, p. 550).

Недостатком этого двигателя является сложность его конструкции и очень высокое давление рабочего газа, при котором работа двигателя становится эффективной. Поэтому этот двигатель с внешним подводом тепла почти не нашел практического применения (см. Политехнический словарь. М. Советская энциклопедия. 1989 г., стр.505).The disadvantage of this engine is the complexity of its design and the very high working gas pressure at which the engine becomes efficient. Therefore, this engine with an external supply of heat almost did not find practical application (see. Polytechnical Dictionary. M. Soviet Encyclopedia. 1989, p. 505).

Известен двигатель с внешним подводом тепла, содержащий цилиндр, разделенный поршнем со штоком на две части, сообщенные с рабочими камерами и заполненные рабочим газом, при этом рабочие камеры снабжены устройствами для поочередного и противофазного нагрева и охлаждения рабочего газа, камеры выполнены выносными и сообщены с цилиндром при помощи патрубков, а объем рабочих камер в 5-10 раз превышает объем цилиндра.A known engine with external heat supply, comprising a cylinder divided by a piston with a rod into two parts in communication with working chambers and filled with working gas, while the working chambers are equipped with devices for alternating and out-of-phase heating and cooling of the working gas, the chambers are made remote and communicated with the cylinder using pipes, and the volume of the working chambers is 5-10 times the volume of the cylinder.

При этом рабочие камеры и цилиндр с остальными агрегатами размещены в изолированных друг от друга отсеках (см. патент RU №2073793, МПК-6: F02G 1/04, опубл. 20.02.1997 г.).In this case, the working chambers and the cylinder with the rest of the units are placed in compartments isolated from each other (see patent RU No. 2073793, IPC-6: F02G 1/04, publ. 02.20.1997).

Задачей, на решение которой направлено известное изобретение, является упрощение известной конструкции двигателя, значительное снижение давления рабочего газа и придание двигателю способности работать при малой разности температур между нагревателем и охладителем, благодаря чему двигатель способен утилизировать тепло горячих газов-отходов от различных высокотемпературных установок.The task to which the known invention is directed is to simplify the known engine design, significantly reduce the working gas pressure and give the engine the ability to operate at a small temperature difference between the heater and the cooler, so that the engine is able to utilize the heat of hot waste gases from various high-temperature installations.

Известен тепловой двигатель с внешним подводом теплоты, выбранный в качестве ближайшего аналога, содержащий, по меньшей мере, один расширительный и один компрессионный цилиндры, в каждом из которых размещен поршень, связанный механизмом преобразования движения с валом двигателя, и снабженные впускным и выпускным органами, расширительную магистраль с нагревателем, которая подключена к впускному органу расширительного цилиндра и выпускному органу компрессионного цилиндра, и компрессионную магистраль с охладителем, которая подключена к выпускному органу расширительного цилиндра и впускному органу компрессионного цилиндра, механизмы управления выпускным и впускным органами расширительного цилиндра, последний из которых содержит штангу, связанную через коромысло с впускным органом, отличающийся тем, что впускной орган компрессионного цилиндра и выпускной орган расширительного цилиндра выполнены в поршнях, механизм управления впускным органом расширительного цилиндра содержит зацеп, выполненный в поршне, и крюк, выполненный на штанге, причем на штанге и со стороны расширительного цилиндра сделаны наклонные встречно-параллельные поверхности, а механизм управления выпускным органом расширительного цилиндра состоит из фиксатора открытого и закрытого положений, выполненного в поршне, и толкателя, установленного в нижней части цилиндра.A heat engine with an external supply of heat is known, selected as the closest analogue, containing at least one expansion and one compression cylinder, each of which contains a piston connected by a movement conversion mechanism to the engine shaft, and equipped with an inlet and outlet, an expansion a line with a heater, which is connected to the inlet of the expansion cylinder and the outlet of the compression cylinder, and a compression line with a cooler, which is connected the exhaust organ of the expansion cylinder and the intake organ of the compression cylinder, the control mechanisms of the exhaust and intake organs of the expansion cylinder, the last of which contains a rod connected through the beam to the intake organ, characterized in that the intake organ of the compression cylinder and the exhaust organ of the expansion cylinder are made in pistons, the mechanism control of the inlet body of the expansion cylinder contains a hook made in the piston, and a hook made on the rod, moreover, on the rod and from the side asshiritelnogo cylinder made oblique-parallel surfaces, and an outlet control mechanism of the expansion cylinder body consists of a striker open and closed positions, made in the piston, and a pusher mounted in the bottom of the cylinder.

При этом, двигатель снабжен механизмом управления фазой газораспределения впускного органа расширительного цилиндра в зависимости от разности давлений между расширительной и компрессионной магистралями и расширительные и компрессионные цилиндры расположены поочередно (см. патент RU, №2105156, Мкл. F01B 3/02. F01B 29/08. опубл. 20.02.98 г.).In this case, the engine is equipped with a control mechanism for the gas distribution phase of the inlet body of the expansion cylinder, depending on the pressure difference between the expansion and compression lines and the expansion and compression cylinders are located alternately (see patent RU, No. 2105156, Ml. F01B 3/02. F01B 29/08. published on 02.20.98).

Перечисленная совокупность признаков известного двигателя, по мнению ее создателей, позволяет повысить эффективность работы заявляемого двигателя вследствие наиболее полного использования перепада температур и давлений во всем диапазоне нагрузок и уменьшения потерь при газообмене.The listed set of features of a well-known engine, according to its creators, can improve the efficiency of the inventive engine due to the most complete use of temperature and pressure differences in the entire load range and reduce losses during gas exchange.

А выполнение впускного органа компрессионного цилиндра и выпускного органа расширительного цилиндра в поршнях, позволяет сделать геометрические характеристики впускных и выпускных органов максимальных размеров, и вследствие чего, максимально уменьшить сопротивление при впуске и выпуске рабочего тела. Механизм управления впускным органом расширительного цилиндра известного устройства, по мнению его создателей, позволяет открывать впускной орган в начале такта расширения, и тем самым исключить потери на компрессию нагретого рабочего тела. А механизм управления выпускным органом расширительного цилиндра позволяет автоматически держать открытым выпускной орган во время всего такта выпуска, и тем самым наиболее полно очищать цилиндр от отработавшего рабочего тела.And the implementation of the inlet body of the compression cylinder and the exhaust body of the expansion cylinder in the pistons, allows you to make the geometric characteristics of the intake and exhaust bodies of maximum sizes, and as a result, to minimize the resistance at the inlet and outlet of the working fluid. The control mechanism of the inlet body of the expansion cylinder of the known device, according to its creators, allows you to open the inlet body at the beginning of the expansion stroke, and thereby eliminate compression losses of the heated working fluid. And the control mechanism of the exhaust body of the expansion cylinder allows you to automatically keep the exhaust body open during the entire exhaust stroke, and thereby most completely clean the cylinder of the spent working fluid.

Механизмом управления фазой газораспределения впускного органа расширительного цилиндра позволяет регулировать продолжительность открытия органа, и тем самым сохранить эффективность работы двигателя в широком интервале нагрузки.The timing control mechanism of the intake organ of the expansion cylinder allows you to adjust the duration of the opening of the body, and thereby maintain the efficiency of the engine in a wide load range.

На эффективные показатели двигателя известной конструкции влияет объем расширительной магистрали. Чем меньше ее объем, тем выше динамические качества двигателя. Поэтому для максимального сокращения ее объема, цилиндры расположены поочередно.The effective performance of an engine of known design is affected by the volume of the expansion line. The smaller its volume, the higher the dynamic qualities of the engine. Therefore, to minimize its volume, the cylinders are arranged alternately.

Не смотря на перечисленные достоинства известного двигателя, ему присущи недостатки. Так в известной конструкции не полностью раскрыты функциональные возможности, вследствие ограниченных возможностей механизма управления фазой газораспределения.Despite the listed advantages of the well-known engine, it has inherent disadvantages. So in a known design, the functionality is not fully disclosed, due to the limited capabilities of the valve timing control mechanism.

Кроме того, известная конструкция не способна рециркулировать отработанные отходящие газы. Помимо этого, известная конструкция не исключает потери на трение в двигателе, что не позволяет ей достигнуть требуемого КПД.In addition, the known design is not able to recycle exhaust flue gases. In addition, the known design does not exclude friction loss in the engine, which does not allow it to achieve the required efficiency.

Кроме того, известная конструкция экологически не безопасна, поскольку выбрасываемые в атмосферу из камеры сгорания отработанные газы содержат токсичные вещества: окись углерода, несгораемые углеводородов, возникающие вследствие недостатка кислорода.In addition, the known design is environmentally unsafe, since the exhaust gases emitted into the atmosphere from the combustion chamber contain toxic substances: carbon monoxide, non-combustible hydrocarbons resulting from a lack of oxygen.

Таким образом, техническим результатом, на решение которого направлена заявляемая полезная модель, является значительное повышение КПД двигателя и снижение выброса токсических веществ в окружающую среду.Thus, the technical result, the solution of which is claimed by the claimed utility model, is a significant increase in engine efficiency and a reduction in the release of toxic substances into the environment.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной конструкции двигателя с внешним подводом тепла, содержащей герметичный цилиндрический кожух, оснащенный валом, зону охлаждения и, оснащенную нагревательным элементом, зону нагрева, размещенные в кожухе по меньшей мере два рабочих цилиндра, поочередно контактирующих с зоной нагрева и охлаждения и, расположенные внутри каждого из них, поршни, связанные каждый со своим исполнительным механизмом, при этом, рабочие цилиндры расположены по окружности параллельно друг другу и оси кожуха, согласно полезной модели, кожух выполнен с возможностью осуществления вращения и в виде концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, заглушенных с обоих торцов, при этом, рабочие цилиндры расположены в сформированном наружной и внутренней стенами кожуха межтрубном пространстве, в качестве среды для нагрева и охлаждения используют воздух, подачу и удаление которого осуществляют через отверстия, выполненные соответственно во внутренней и наружной стенках кожуха, а объем межтрубного пространства, в который подается рабочая среда отделен от объема, из которого она удаляется с помощью эластичной перегородки, выполненной с возможностью беспрепятственного прохода через нее рабочих цилиндров при вращении кожуха.The specified technical result is achieved by the fact that in the known engine design with an external heat supply containing a sealed cylindrical casing equipped with a shaft, a cooling zone and equipped with a heating element, a heating zone, at least two working cylinders placed in the casing alternately in contact with the heating zone and cooling and, located inside each of them, pistons, each connected with its actuator, while the working cylinders are arranged in a circle parallel to each other and about and the casing, according to the utility model, the casing is made to rotate in the form of concentrically arranged cylindrical surfaces, muffled from both ends, while the working cylinders are located in the annulus formed by the outer and inner walls of the casing; use as a medium for heating and cooling air, the supply and removal of which is carried out through holes made respectively in the inner and outer walls of the casing, and the annular volume into which is supplied It separated from the working fluid volume, from which it is removed via an elastic septum adapted to unimpeded passage therethrough of working cylinders during rotation of the casing.

Выполнение кожуха с возможностью вращения в виде концентрично расположенных цилиндрических поверхностей, заглушенных с обоих торцов, расположение их в сформированном наружной и внутренней стенами кожуха межтрубном пространстве, использование воздуха в качестве среды для нагрева и охлаждения, осуществление подачи и удаления рабочей среды через отверстия, выполненные соответственно во внутренней и наружной стенках кожуха, и отделение объем межтрубного пространства, в который подается рабочая среда, от объема, из которого она удаляется с помощью эластичной перегородки, выполненной с возможностью беспрепятственного продвижения через нее рабочих цилиндров при вращении кожуха позволяет решить поставленные перед полезной моделью задачи, в частности, максимально снизить выброс в окружающую среду токсичных веществ и значительно повысить КПД двигателя.The execution of the casing with the possibility of rotation in the form of concentric cylindrical surfaces, muffled from both ends, their location in the annulus formed by the outer and inner walls of the casing, the use of air as a medium for heating and cooling, the supply and removal of the working medium through openings, respectively in the inner and outer walls of the casing, and separating the volume of the annular space into which the working medium is supplied from the volume from which it is removed via an elastic septum adapted to promote unimpeded therethrough while rotating working cylinders housing solves problems posed before a useful model, in particular, to minimize the environmental release of toxic substances and significantly raise the efficiency of the engine.

Снижение выброса в окружающую среду токсичных веществ осуществляется благодаря тому, что нагрев-охлаждение в заявляемом двигателе осуществляется воздухом, то есть, в присутствии кислорода и, как следствие, образование таких токсичных веществ, практически исключено.Reducing the release of toxic substances into the environment is due to the fact that heating and cooling in the inventive engine is carried out by air, that is, in the presence of oxygen and, as a result, the formation of such toxic substances is practically excluded.

Повышение КПД заявляемого двигателя обеспечивается за счет значительного снижения потерь, затраченных на трение.Increasing the efficiency of the inventive engine is ensured by a significant reduction in losses spent on friction.

Помимо этого, в заявляемой конструкции двигателя происходит рециркуляция тепла не только отработанных отходящих газов, но рециркуляция тепла сгорания топлива, что также способствует еще большему повышению его КПД.In addition, in the inventive design of the engine, heat is recycled not only from the exhaust gas, but also from the heat of combustion of the fuel, which also contributes to an even greater increase in its efficiency.

Это обеспечивается за счет того, что холодный воздух, поступающий в двигатель из окружающей среды, проходя в межтрубном пространстве, охлаждает цилиндры и нагревается сам, произведя работу в виде уменьшения объема объемно-расширяющегося рабочего тела. Далее нагретый воздух, попадая в нагревательную камеру, достигает необходимой температуры нагрева, нагревает объемно-расширяющееся тело до требуемой температуры, а сам при этом охлаждается до температуры, которая в идеале равна температуре воздуха на входе.This is due to the fact that the cold air entering the engine from the environment, passing in the annulus, cools the cylinders and heats itself, performing work in the form of a decrease in the volume of the expanding working fluid. Further, the heated air, entering the heating chamber, reaches the required heating temperature, heats the body-expanding body to the required temperature, and at the same time it is cooled to a temperature that is ideally equal to the inlet air temperature.

При этом, повышение КПД заявляемой установки способствует и также и снижению объема токсичных веществ. Это объясняется тем, что объем токсичных веществ зависит не только от качества топлива, но и от его количества. При этом, поскольку количество потребляемого топлива зависит от КПД установки, следовательно, чем выше КПД установки, тем, меньше объем потребляемого топлива, то есть, меньше объем токсичных веществ.Moreover, increasing the efficiency of the inventive installation also contributes to the reduction of toxic substances. This is because the volume of toxic substances depends not only on the quality of the fuel, but also on its quantity. Moreover, since the amount of fuel consumed depends on the efficiency of the installation, therefore, the higher the efficiency of the installation, the smaller the amount of fuel consumed, that is, the volume of toxic substances is less.

Заявляемая конструкция двигателя с внешним подводом тепла представлена на чертежах. На фиг.1 представлена принципиальная схема заявляемого устройства; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.The inventive design of the engine with external heat input is shown in the drawings. Figure 1 presents a schematic diagram of the inventive device; figure 2 is a section aa in figure 1.

Двигатель с внешним подводом тепла содержит цилиндрический теплоизоляционный кожух 1, рабочие цилиндры 2 с объемно-расширяющимся рабочим телом 3. Кожух 1 выполнен в виде концентрично расположенных цилиндрических поверхностей. Торцы кожуха 1 заглушены с двух сторон фланцами 4 и 4'. Фланец 4 закрывает клапанная доска 5 с всасывающим 6 и нагнетательными 7 клапанами и каналами 8 для прохождения рабочего тела. Клапанная доска 5 закрыта корпусом 9, в котором выполнены технологические отверстия 10 для прохождения воздуха и крепления вращающего механизма 11. В центре кожуха 1 расположен вал 12, который с одной стороны присоединен к вращающему механизму 11, а с другой стороны закреплен в теплоизоляционном кожухе 1. Кожух 1 содержит отверстие 13 для подачи атмосферного воздуха, выполненное на внутренней цилиндрической поверхности кожуха 1 и отверстие 14 для выхода отработанного воздуха, выполненное на наружной цилиндрической поверхности кожуха 1. Внутри каждого из цилиндров 2 расположены поршни 15. Двигатель также содержит нагнетатель воздуха 16, исполнительный механизм 17, вал исполнительного механизма 18, трубу топливоподачи 19, форсунку 20 и эластичные перегородки 21.An engine with an external heat supply contains a cylindrical heat-insulating casing 1, working cylinders 2 with a volume-expanding working fluid 3. The casing 1 is made in the form of concentric cylindrical surfaces. The ends of the casing 1 are muffled on both sides by flanges 4 and 4 '. Flange 4 closes the valve board 5 with a suction 6 and discharge 7 valves and channels 8 for the passage of the working fluid. The valve board 5 is closed by a casing 9, in which the technological holes 10 are made for air passage and fastening of the rotary mechanism 11. In the center of the casing 1 is a shaft 12, which is attached to the rotary mechanism 11 on one side and fixed to the heat-insulating casing 1 on the other hand. The casing 1 contains a hole 13 for supplying atmospheric air, made on the inner cylindrical surface of the casing 1 and a hole 14 for exhaust air, made on the outer cylindrical surface of the casing 1. Inside dogo of the cylinders 2 are disposed pistons 15. The engine also comprises a blower 16, an actuator 17, shaft actuator 18, the fuel supply pipe 19, the injector 20 and the elastic septum 21.

Двигатель работает следующим образом.The engine operates as follows.

Наружный воздух подается нагнетателем 16 во внутреннюю полость кожуха 1, далее через отверстие 13 в кожухе 1 поступает на обдув цилиндров 2. Обдувая цилиндры 2, воздух нагревается, при этом объемно-расширяющееся вещество внутри обдуваемого воздухом цилиндра 2 охлаждается. Вещество уменьшается в объеме и увлекает за собой поршень 15. Поршень 15 в свою очередь через всасывающий клапан 6 засасывает рабочую жидкость (рабочее тело) 3. Воздух, проходя в межтрубном пространстве нагревается и попадает в камеру сгорания, где нагревается до нужной температуры и, проходя далее, нагревает расположенные по его ходу цилиндры 2 и объемно расширяющееся вещество 3 в них. Поршень 15 этого цилиндра 2 за счет нагрева объемно расширяющегося вещества начинает вытеснять через нагнетательный клапан 7 рабочее тело 3. Рабочее тело 3, через нагнетательный клапан 7 и трубы 22, подается на исполнительный механизм 17, производя тем самым полезную работу. Воздух, проходя далее в межтрубном пространстве нагревая расположенные по его ходу рабочие цилиндры 2, охлаждается сам. Далее через выходное отверстие 14 отработанный воздух выводится наружу.External air is supplied by a supercharger 16 into the internal cavity of the casing 1, then through the opening 13 in the casing 1 it enters the airflow of the cylinders 2. Blowing the cylinders 2, the air is heated, while the volume-expanding substance inside the air-blown cylinder 2 is cooled. The substance decreases in volume and carries the piston 15 behind it. The piston 15, in turn, sucks the working fluid (working fluid) through the suction valve 6. 3. The air passing through the annulus heats up and enters the combustion chamber, where it heats up to the required temperature and, passing further, heats the cylinders 2 located along its course and the volume-expanding substance 3 in them. The piston 15 of this cylinder 2, due to the heating of a volume-expanding substance, begins to displace the working fluid 3 through the discharge valve 7. The working fluid 3, through the discharge valve 7 and pipes 22, is supplied to the actuator 17, thereby producing useful work. The air, passing further in the annular space heating the working cylinders 2 located along its course, is cooled by itself. Further, through the outlet 14, the exhaust air is discharged to the outside.

Вращение кожуха двигателя заявляемой конструкции осуществляется любым известным механизмом (электродвигателем, гидродвигателем и т.п.). Скорость вращения кожуха зависит от возможности охлаждения и нагрева цилиндров.The rotation of the engine casing of the claimed design is carried out by any known mechanism (electric motor, hydraulic motor, etc.). The speed of rotation of the casing depends on the possibility of cooling and heating the cylinders.

Claims

An engine with an external heat supply, comprising a heat-insulating casing, a shaft, a cooling zone and a heating zone equipped with a heating element, at least two working cylinders and pistons located inside each of them, the working cylinders being parallel to each other and to the axis casing, characterized in that the casing is made cylindrical with the possibility of rotation and in the form of concentric cylindrical surfaces, the engine includes flanges, one of which closes the valve nai board with suction and discharge valves and channels for the passage of the working fluid, the valve board is closed by a housing in which technological holes are made for the passage of air and the fastening of the rotating mechanism, the shaft being attached to the rotating mechanism on one side and fixed to the casing on the other hand, while the working cylinders are located around the circumference in the annulus formed by the outer and inner walls of the casing and are alternately in contact with the heating and cooling zones, as a medium A heating and cooling air is used, removal and feeding is carried out through holes formed respectively in the outer and inner walls of the housing, and the motor includes an elastic septum adapted so as to ensure unimpeded passage therethrough of working cylinders during rotation of the casing.