RU2046976C1

RU2046976C1 - Motor-recuperator

Info

Publication number: RU2046976C1
Application number: RU92015523A
Authority: RU
Inventors: Л.Б. Блюмкин
Original assignee: Блюмкин Лев Борисович
Priority date: 1992-12-30
Filing date: 1992-12-30
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: motor-recuperator has a movably mounted cylinder bank. Changeable ceramic heating head 2 is positioned at the central part of the bank. The working pistons are arranged in the same plane in pair symmetrically to the axes. The pistons are kinematically interconnected through a rack transmission. The transmission has racks 71 (72) secured to the rods and gear. The roller pushers are mounted on the rods and mated with the eccentric ways of stroke-forming ring 21. The grooves are kinematically coupled with the cylinder bank through a planet gear that consists of toothing of the inner engagement 67, satellites 68 and fixed central wheel 70. Pistons of the hydraulic pump are secured to the rods. The delivery space of the hydraulic pump is connected with the tangential nozzles of the jet- propelled hydraulic turbine. The torque at the output shaft 50 occurs due to jet-propelled kicking of the fluid from the nozzles to the walls of drain tank 51. EFFECT: improved design. 4 dwg

Description

Изобретение относится к тепловым поршневым двигателям, в частности к двигателям Стирлинга, предназначенным для использования в качестве энергетической установки транспортного средства с рекуперативным приводом, в особенности, для городского автобуса. The invention relates to thermal piston engines, in particular to Stirling engines, intended for use as a power plant of a vehicle with a regenerative drive, in particular for a city bus.

Известна установка для транспортных средств, содержащая поршневой двигатель, в стационарном блоке которого выполнены цилиндры тепловой системы, разделенные поршнями на холодную и горячую полости, соединенные между собой через нагреватели и охладители, а также обратимую расширительную машину объемного типа, связанную с тепловой системой. A known installation for vehicles containing a reciprocating engine, in the stationary unit of which is made the cylinders of the thermal system, separated by pistons into cold and hot cavities, interconnected via heaters and coolers, as well as a reversible expansion machine of volume type associated with the thermal system.

Недостатками указанной установки являются высокие показатели массы на единицу мощности, а также значительная сложность конструкции и трудность использования в рекуперативном приводе. The disadvantages of this installation are the high mass per unit of power, as well as the significant complexity of the design and the difficulty of use in a regenerative drive.

Упомянутые недостатки частично устранены в двигателе с внешним подводом теплоты, снабженном подвижным блоком, в котором выполнены рабочие цилиндры тепловой системы с размещенными в них поршнями, перемещающимися поступательно в цилиндрах. При этом перемещение каждого поршня в пределах рабочего цикла задается механизмом тактообразования, выполненным в виде охватывающего подвижный блок профильного кольца, с которым контактируют поршни (или штоки) через роликовые толкатели. Такая схема двигателя Стирлинга позволяет обойтись без коленчатого вала, что резко упрощает известную конструкцию. Однако в этом случае возникают значительные нагрузки в системе упомянутого механизма тактообразования. The aforementioned disadvantages are partially eliminated in an engine with an external supply of heat, equipped with a movable block, in which the working cylinders of the thermal system are made with the pistons placed in them, moving translationally in the cylinders. At the same time, the movement of each piston within the operating cycle is determined by a clocking mechanism made in the form of a profile ring covering the movable block, with which the pistons (or rods) are in contact via roller pushers. This design of the Stirling engine allows you to do without a crankshaft, which greatly simplifies the known design. However, in this case, significant loads arise in the system of the mentioned mechanism of the clock formation.

Устранение данного технического противоречия и является целью предлагаемого изобретения, в соответствии с которым тепловая (термодинамическая) система двигателя оснащена второй, дополнительной системой, аналогичной основной, причем рабочие цилиндры обеих систем расположены в подвижном блоке и обращены горячими полостями к центральной части подвижного блока, а штоки каждой пары с закрепленными на них поршнями кинематически связаны между собой равноплечным рычажным механизмом для осуществления равных перемещений во встречном направлении. При этом в каждом рабочем цилиндре расположен введенный поршневой гидронасос, полость нагнетания которого соединена с соответствующим тангенциальным соплом реактивной гидротурбины, а в полости упомянутого сопла установлена игла переменного по длине сечения, оснащенная приводом ее продольных перемещений. The elimination of this technical contradiction is the aim of the present invention, according to which the thermal (thermodynamic) engine system is equipped with a second, additional system similar to the main one, with the working cylinders of both systems located in the movable block and facing the hot cavities to the central part of the moving block, and the rods each pair with pistons fixed to them are kinematically connected with each other by an equal-arm linkage mechanism for equal movements in the opposite direction laziness. At the same time, an introduced piston hydraulic pump is located in each working cylinder, the injection cavity of which is connected to the corresponding tangential nozzle of the jet turbine, and a needle of variable cross section length equipped with a drive of its longitudinal displacements is installed in the cavity of the said nozzle.

Подобное выполнение, в частности попарное расположение цилиндров в подвижном блоке и их кинематическая взаимосвязь, позволяет образовать замкнутую систему сил в системе, что обеспечивает резкое снижение внешних сил (т.е. сил реакции профильного кольца на роликовые толкатели), а также способствует исключению общего динамического дисбаланса двигателя. При этом крутящий момент образуется не за счет сил реакции профильного кольца на толкатели (как это имеет место в прототипе), а за счет реактивной силы вытекающей из сопла струи жидкости. Регулирование двигателя стало возможным осуществлять как изменением подачи топлива в камеру сгорания, так и изменением расхода жидкости через сопло (посредством введения иглы в проходное сечение последнего). Such a design, in particular the pairwise arrangement of the cylinders in the movable block and their kinematic relationship, makes it possible to form a closed system of forces in the system, which provides a sharp decrease in external forces (i.e., reaction forces of the profile ring to roller pushers), and also helps to eliminate the general dynamic engine imbalance. In this case, the torque is generated not due to the reaction forces of the profile ring to the pushers (as is the case in the prototype), but due to the reactive force of the liquid jet flowing from the nozzle. It became possible to control the engine both by changing the fuel supply to the combustion chamber, and by changing the flow rate of the liquid through the nozzle (by introducing a needle into the passage of the latter).

Данная конструкция органично объединяет тепловую энергетическую установку с рекуперативным приводом, позволяя использовать в качестве инерционного накопителя (маховика) массивный блок цилиндров рекуперативного двигателя Стирлинга. Благодаря этому отпадает необходимость в системе регулирования среднего давления цикла двигателя Стирлинга и одновременно существенно упрощается кинематика рекуперативного привода в целом. This design organically combines a thermal power plant with a regenerative drive, making it possible to use a massive cylinder block of the Stirling regenerative engine as an inertial storage device (flywheel). This eliminates the need for a control system for the average pressure of the Stirling engine cycle and at the same time the kinematics of the regenerative drive as a whole is greatly simplified.

На фиг. 1 изображено сечение А-А блока цилиндров на фиг. 2; на фиг. 2 поперечное сечение Б-Б мотора-рекуператора на фиг. 1; на фиг. 3 сечение В-В блока цилиндров на фиг. 2; на фиг. 4 сечение Г-Г, выполненное по соплам реактивной гидротуpбины на фиг. 3. In FIG. 1 shows a section AA of the cylinder block in FIG. 2; in FIG. 2, the cross section BB of the motor recuperator in FIG. 1; in FIG. 3, section BB of the cylinder block of FIG. 2; in FIG. 4, a cross-section GG taken along the nozzles of a jet turbine in FIG. 3.

Мотор-рекуператор содержит установленный с возможностью вращения блок цилиндров 1 (фиг. 1), в центральной части которого размещена нагревательная головка, выполненная в виде цилиндрической керамической вставки 2 (фиг. 2). Поршни 3 и 4 (фиг. 1), размещенные соответственно в цилиндрах 5 и 6, расположены в одной плоскости попарно симметрично осям. Гильзы цилиндров 5 и 6 размещены в расточках блока 1 и сопрягаются с гнездами 7 и 8, выполненными в керамической вставке 2 (фиг. 2). Цилиндры 5 и 6 соответственно образуют две четырехцилиндровые термодинамические системы, в каждой из которых согласно схеме двойного действия горячая полость 9(10) первого цилиндра соединена посредством циркуляционной системы, включающей нагревательные каналы 11 (фиг. 2) и 12 (на фиг. 1 показано схематично), выполненные в керамической вставке 2 (фиг. 2), регенератор 13(14) (фиг. 1), холодильник 15(16), а также соединительные каналы 17(18), с холодной полостью 19(20) второго цилиндра и т. д. Система тактообразования состоит из установленного с возможностью вращения тактообразующего кольца 21 (фиг. 2) с малой 22 и большой 23 эксцентричными дорожками качения, каждая из которых представляет полуокружность (на фиг. 1 и 3 они показаны условно). С последними сопрягаются роликовые толкатели 24 (фиг. 1), смонтированные на штоках 25 поршней 3. На тех же на штоках 25 и на штоках 26 поршней 4 закреплены поршни 27 и 28 гидронасосов, полости нагнетания 29 и 30 которых соответственно соединены каналами 31(32) (фиг. 4), выполненными во фланцах 33(34), с тангенциальными соплами 35(36) реактивной гидротурбины. Для возможной регулировки проходного сечения сопла 35(36) служит игла 37, положение которой определяет автоматическое выдвижное устройство, состоящее из поршня 38, размещенного в цилиндре 39(40), а также пружины 41, установленной на хвостовике 42. Последний сопрягается с цилиндром 43(44), который выполнен в крышке 45. Полость цилиндра 43(44) соединена посредством канала 46, выполненного в игле 37, с полостью сопла 35(36). Цилиндры 39 и 40 соединены с радиальными каналами 47 и 48 (фиг. 1), которые сообщаются с заборным кольцевым отверстием 49 (фиг. 2), выполненным на выходном валу 50, и соединяют сливной бак 51 с полостями нагнетания 29 и 30 (фиг. 1) гидронасосов. На входе в последние установлены обратные клапаны 52. Бак 51 (фиг. 2) служит собирающей емкостью для турбожидкости 53 при возможном отбросе последней из сопл 35 и 36 (фиг. 4) через окна 54 (фиг. 2), выполненные в ступицах 55 и 56, на стенки заборных щелей 57 и 58 кожуха 59. Подпоршневые полости 60 (фиг. 1) и 61 гидронасосов выполняют функцию компрессоров, служащих для возможной компенсации утечек рабочего тела (воздуха). Они соединены с холодными полостями 19 и 20 цилиндров 5 и 6 посредством обратных клапанов 62. The motor-recuperator contains a rotatable cylinder block 1 (Fig. 1), in the central part of which there is a heating head made in the form of a cylindrical ceramic insert 2 (Fig. 2). Pistons 3 and 4 (Fig. 1), placed respectively in cylinders 5 and 6, are located in the same plane in pairs symmetrically to the axes. The cylinder liners 5 and 6 are placed in the bores of the block 1 and mate with the sockets 7 and 8, made in a ceramic insert 2 (Fig. 2). Cylinders 5 and 6 respectively form two four-cylinder thermodynamic systems, in each of which, according to the double-acting scheme, the hot cavity 9 (10) of the first cylinder is connected by means of a circulation system including heating channels 11 (Fig. 2) and 12 (Fig. 1 is shown schematically ) made in a ceramic insert 2 (Fig. 2), a regenerator 13 (14) (Fig. 1), a refrigerator 15 (16), as well as connecting channels 17 (18), with a cold cavity 19 (20) of the second cylinder and t The system of tact formation consists of a rotationally installed system. Ia taktoobrazuyuschego ring 21 (FIG. 2) with low 22 and high 23 eccentric grooves, each of which represents a semicircle (FIGS. 1 and 3 they are shown in phantom). The latter are mated with roller pushers 24 (Fig. 1) mounted on the piston rods 25. The pistons 27 and 28 of the hydraulic pumps are fixed on the piston rods 25 and 26 of the piston rods 25, the discharge cavities 29 and 30 of which are respectively connected by channels 31 (32 ) (Fig. 4), made in flanges 33 (34), with tangential nozzles 35 (36) of a jet turbine. For possible adjustment of the orifice of the nozzle 35 (36), a needle 37 is used, the position of which is determined by an automatic retractable device consisting of a piston 38 located in the cylinder 39 (40), as well as a spring 41 mounted on the shank 42. The latter is mated to the cylinder 43 ( 44), which is made in the cover 45. The cavity of the cylinder 43 (44) is connected through a channel 46 made in the needle 37, with the cavity of the nozzle 35 (36). Cylinders 39 and 40 are connected to radial channels 47 and 48 (FIG. 1), which communicate with an intake annular hole 49 (FIG. 2) made on the output shaft 50, and connect the drain tank 51 to the discharge cavities 29 and 30 (FIG. 1) hydraulic pumps. At the entrance to the latter, check valves 52 are installed. Tank 51 (Fig. 2) serves as a collecting tank for turbo-fluid 53 with the possible rejection of the last of nozzles 35 and 36 (Fig. 4) through windows 54 (Fig. 2) made in hubs 55 and 56, to the walls of the intake slots 57 and 58 of the casing 59. The piston cavities 60 (Fig. 1) and 61 hydraulic pumps serve as compressors for possible compensation of leaks of the working fluid (air). They are connected to the cold cavities 19 and 20 of the cylinders 5 and 6 via check valves 62.

Блок цилиндров 1 смонтирован в радиальных опорах 63 и 64 (фиг. 2). Он кинематически связан с тактообразующим кольцом 21, установленным на радиальных опорах 65 и 66, посредством планетарной передачи, включающей зубчатый венец внутреннего зацепления 67, закрепленный на ступице 55, сателлиты 68, установленные на радиальных опорах 69, которые смонтированы на блоке 1 (фиг. 1), и неподвижное центральное колесо 70. Поршни 3 и 4 попарно кинематически связаны посредством реечной передачи, состоящей из реек 71 и 72 (фиг. 3), закрепленных на штоках 25 и 26 (фиг. 1), и шестерни 73 (фиг. 3), смонтированной на блоке 1 (фиг. 1). The cylinder block 1 is mounted in radial bearings 63 and 64 (Fig. 2). It is kinematically connected with a clock-forming ring 21 mounted on the radial bearings 65 and 66, by means of a planetary gear including an internal gear 67, mounted on the hub 55, satellites 68 mounted on the radial bearings 69, which are mounted on the block 1 (Fig. 1 ), and a fixed central wheel 70. Pistons 3 and 4 are kinematically coupled by means of a rack and pinion transmission, consisting of racks 71 and 72 (Fig. 3), mounted on rods 25 and 26 (Fig. 1), and gears 73 (Fig. 3 ) mounted on block 1 (Fig. 1).

Глухая часть гнезд 7 и 8 имеет куполообразную форму, а стык между ними и гильзами цилиндров 5 и 6 уплотнен при помощи полых металлических колец 74. Керамическая вставка 2 (фиг. 2) сопрягается с расточкой 75 блока 1 (фиг. 2) посредством конического пояска 76 (фиг. 2), при этом между цилиндрической и торцовой поверхностями вставки 2 и расточкой 75 предусмотрен теплоизолирующий зазор 77. Вставка 2 зафиксирована при помощи резьбового кольца 78, причем стык дополнительно уплотнен металлической манжетой 79. Каждый из регенераторов 13 и 14 сообщается с системой нагревательных каналов 11 и 12 (на фиг. 1 показано схематично) посредством перепускной трубки 80. Стык между последней и керамической вставкой 2 уплотнен при помощи полых металлических колец 81, зафиксированных проставком 82. В керамической вставке 2 выполнены сквозные продольные каналы 83, служащие для возможного протекания высокотемпературных продуктов сгорания и обеспечивающие необходимую площадь теплообмена. Уплотнение поршней 3 и 4 обеспечивается при помощи колец 84. The blind part of the sockets 7 and 8 is dome-shaped, and the joint between them and the cylinder liners 5 and 6 is sealed with hollow metal rings 74. The ceramic insert 2 (Fig. 2) is mated to the bore 75 of block 1 (Fig. 2) using a conical girdle 76 (Fig. 2), while between the cylindrical and end surfaces of the insert 2 and the bore 75, a heat-insulating gap 77 is provided. The insert 2 is fixed with a threaded ring 78, the joint being additionally sealed with a metal sleeve 79. Each of the regenerators 13 and 14 communicates with the system naked ducts 11 and 12 (shown schematically in FIG. 1) by way of a bypass pipe 80. The joint between the last and ceramic insert 2 is sealed with hollow metal rings 81 fixed by a spacer 82. In ceramic insert 2, through longitudinal channels 83 are made, which serve for possible leakage of high-temperature combustion products and providing the necessary heat transfer area. Sealing of the pistons 3 and 4 is ensured by rings 84.

Система сжигания топлива состоит из камеры сгорания 85, топливной форсунки 86, воздушного центробежного нагнетателя, выполненного в виде радиальных лопаток 87, закрепленных с наружной стороны ступицы 55, воздухозаборника 88, предварительного подогревателя воздуха 89, выполненного из керамики и снабженного воздуховодом 90, завихрителя 91, а также выхлопного канала 92. Возможному проникновению высокотемпературных газов из камеры сгорания 85 к конструкционным элементам мотора-рекуператора препятствует лабиринтное уплотнение 93. The fuel combustion system consists of a combustion chamber 85, a fuel nozzle 86, an air centrifugal supercharger made in the form of radial blades 87, mounted on the outside of the hub 55, an air intake 88, a pre-heater 89 made of ceramic and equipped with an air duct 90, a swirl 91, as well as the exhaust channel 92. The possible penetration of high temperature gases from the combustion chamber 85 to the structural elements of the motor-recuperator is prevented by the labyrinth seal 93.

Мотор-рекуператор работает следующим образом. Motor recuperator operates as follows.

Запуск осуществляется от стартера путем раскручивания блока цилиндров 1 (фиг. 1), смонтированного в радиальных опорах 63 и 64 (фиг. 2), и тактообразующего кольца 21, установленного на радиальных опорах 65 и 66, до рабочей угловой скорости. Одновременно осуществляется впрыск топлива через форсунку 86 и его непрерывное сжигание в камере сгорания 85. Вследствие разности угловых скоростей вращения блока цилиндров 1 (фиг. 1) ω₁ и тактообразующего кольца 21 (фиг. 2) ω₂, что достигается посредством планетарной передачи, включающей венец внутреннего зацепления 67, сателлиты 68 и неподвижное центральное колесо 70, поршни 3 (фиг. 1), кинематически связанные с эксцентричной дорожкой качения 22 и 23 (фиг. 2) при помощи роликовых толкателей 24 (фиг. 1), начинают совершать тактовые перемещения с частотой
n_т

(ω₂-ω₁). (1)
Тактовые перемещения совершают также поршни 4, попарно кинематически связанные с поршнями 3 посредством реечной передачи, состоящей из реек 71 и 72 (фиг. 3), закрепленных на штоках 25 и 26 (фиг.1), и шестерни 73 (фиг. 3). В процессе возвратно-поступательных перемещений поршней 3(4) (фиг. 1) рабочее тело (воздух) вытесняется из горячей полости 9(10) первого цилиндра 5(6) и через систему нагревательных каналов 11 (фиг. 2) (12, на фиг. 1 показаны схематично), выполненных в керамической вставке 2 (фиг. 2), и далее по перепускной трубке 80, через регенератор 13 (фиг. 2) (14) (фиг. 1), холодильник 15(16) и соединительный канал 17(18) поступает в холодную полость 19(20) второго цилиндра 5(6), а затем вытесняется обратно в горячую полость 9(10). Сила, воздействующая на поршень 3(4),
F S_p(P_г Р_х), (2) где S_p площадь рабочего поршня 3(4);
Р_г давление в горячей полости цилиндра 5(6);
Р_х давление в холодной полости цилиндра 5(6).The launch is carried out from the starter by untwisting the cylinder block 1 (Fig. 1) mounted in the radial bearings 63 and 64 (Fig. 2), and a tact-forming ring 21 mounted on the radial bearings 65 and 66, to the working angular speed. At the same time, fuel is injected through the nozzle 86 and continuously burned in the combustion chamber 85. Due to the difference in the angular velocities of rotation of the cylinder block 1 (Fig. 1) ω ₁ and the cycle-forming ring 21 (Fig. 2) ω ₂ , which is achieved by means of a planetary gear including the crown of internal gearing 67, the satellites 68 and the fixed central wheel 70, the pistons 3 (Fig. 1), kinematically connected with the eccentric raceway 22 and 23 (Fig. 2) using the roller pushers 24 (Fig. 1), begin to make clock movements with frequency
n _t

(ω ₂ -ω ₁ ). (1)
Clock movements are also made by pistons 4, kinematically coupled with the pistons 3 by means of a rack and pinion transmission, consisting of racks 71 and 72 (Fig. 3), mounted on rods 25 and 26 (Fig. 1), and gears 73 (Fig. 3). In the process of reciprocating movements of the pistons 3 (4) (Fig. 1), the working fluid (air) is displaced from the hot cavity 9 (10) of the first cylinder 5 (6) and through the system of heating channels 11 (Fig. 2) (12, Fig. 1 is shown schematically) made in a ceramic insert 2 (Fig. 2), and then along the bypass pipe 80, through a regenerator 13 (Fig. 2) (14) (Fig. 1), a refrigerator 15 (16) and a connecting channel 17 (18) enters the cold cavity 19 (20) of the second cylinder 5 (6), and then is forced back into the hot cavity 9 (10). The force acting on the piston 3 (4),
FS _p (P _g P _x ), (2) where S _{p is the} area of the working piston 3 (4);
R _{g the} pressure in the hot cavity of the cylinder 5 (6);
P _x pressure in the cold cavity of cylinder 5 (6).

Сила F изменяется по закону, близкому к синусоидальному, причем ее направление совпадает с направлением движения поршня 3(4). Так как поршни 3 и 4 попарно кинематически связаны посредством упомянутой реечной передачи, их тактовые перемещения осуществляются в противофазах. При этом центробежные силы инерции, приложенные к поршням 3 и 4, взаимно уравновешиваются. Равнодействующая, приложенная к системе поршней 3 и 4
N I F₃ I + I F₄ I, (3) где F₃ сила воздействующая на поршень 3;
F₄ сила воздействующая на поршень 4.Force F changes according to a law close to sinusoidal, and its direction coincides with the direction of movement of the piston 3 (4). Since the pistons 3 and 4 are kinematically coupled by means of the aforementioned rack and pinion transmission, their clock movements are carried out in antiphase. In this case, the centrifugal inertia forces applied to the pistons 3 and 4 are mutually balanced. Resultant applied to piston system 3 and 4
NIF ₃ I + IF ₄ I, (3) where F _{3 is the} force acting on the piston 3;
F ₄ force acting on the piston 4.

В процессе возвратно-поступательных перемещений поршней 27(28) гидронасоса, закрепленный на общих штоках 25(26) с поршнями 3(4), турбожидкость 53 поступает под действием центробежной силы из сливного бака 51 (фиг. 2), через заборное отверстие 49, по радиальным каналам 47(48) (фиг. 1), через систему обратных клапанов 52 в полости нагнетания 29(30) гидронасоса, и затем на участке рабочего хода выбрасывается под давлением через тангенциальные сопла 35(36) (фиг. 4) реактивной турбины, что и создает необходимый крутящий момент на выходном валу 50 (фиг. 2). Давление в полости нагнетания 29(30) (фиг. 1) гидронасоса
P_н

+

(4) где V окружная скорость сопл 35(36) (фиг. 4) реактивной гидротурбины;
ρ плотность турбожидкости 53 (фиг. 1);
S_г площадь поршня 27(28) гидронасоса.In the process of reciprocating movements of the pistons 27 (28) of the hydraulic pump, mounted on common rods 25 (26) with pistons 3 (4), the turbo fluid 53 enters under the action of centrifugal force from the drain tank 51 (Fig. 2), through the intake hole 49, through radial channels 47 (48) (Fig. 1), through a system of check valves 52 in the discharge cavity 29 (30) of the hydraulic pump, and then is released under pressure through the tangential nozzles 35 (36) (Fig. 4) of the jet turbine , which creates the necessary torque on the output shaft 50 (Fig. 2). Pressure in the injection cavity 29 (30) (Fig. 1) of the hydraulic pump
P _n

+

(4) where V is the peripheral speed of the nozzles 35 (36) (Fig. 4) of a jet turbine;
ρ turbo-fluid density 53 (Fig. 1);
S _{g the} area of the piston 27 (28) of the hydraulic pump.

Равнодействующая N изменяется по строго синусоидальному закону, причем колебания величины Р_н не превышают 30-40% от максимального значения на тактовом углу в 90-120^о. На этом участке роликовые толкатели 24 не контактируют с эксцентричной дорожкой качения 22 и 23 (фиг. 2), т.е. мотор-рекуператор работает в режиме свободнопоршневого двигателя Стирлинга. При этом в кинематическую энергию реактивной струи турбожидкости 53 (фиг. 1) преобразуется от 75 до 85% работы, которую совершают поршни 3(4) в процессе перемещения из верхней в нижнюю мертвую точку. Среднее давление цикла (среднее значение равнодействующей N_ср) у мотора-рекуператора постоянно во всем диапазоне частого вращения. В то же время давление в полости нагнетания 29(30) гидронасоса
P_н

, (5) где W скорость истечения турбожидкости 53. В свою очередь
W

u, (6) где S_R площадь проходного сечения сопла 35(36) (фиг. 4);
u скорость поршня 27(28) (фиг. 1) гидронасоса.The resultant of N varies according to a strictly sinusoidal manner, wherein fluctuations in the value P _n does not exceed 30-40% of the maximum value on the clock in the corner ^of 90-120. In this section, the roller pushers 24 do not contact the eccentric raceway 22 and 23 (Fig. 2), i.e. the motor-recuperator operates in the Stirling free-piston engine mode. In this case, from 75 to 85% of the work done by the pistons 3 (4) in the process of moving from the top to the bottom dead center is converted into the kinematic energy of the jet of the turbo-liquid 53 (Fig. 1). The average pressure of the cycle (the average value of the resultant N _cf ) of the motor-recuperator is constant in the entire range of frequent rotation. At the same time, the pressure in the discharge cavity 29 (30) of the hydraulic pump
P _n

, (5) where W is the velocity of the fluid flow 53. In turn
W

u, (6) where S _{R is the} area of the orifice of the nozzle 35 (36) (Fig. 4);
u the speed of the piston 27 (28) (Fig. 1) of the hydraulic pump.

Приравняв выражения 4 и 5, получим
S_R=u·S

v²+

. (7) Таким образом
S_R f( ω₁).Equating

expressions

4 and 5, we obtain
S _R = u

v ² +

. (7) Thus
S _R f (ω ₁ ).

Регулирование площади проходного сечения сопла 35(36) (фиг. 4) S_Rосуществляется автоматически посредством гидравлического центробежного регулятора, размещенного во фланце 33 (34) (фиг. 1).The regulation of the flow area of the nozzle 35 (36) (Fig. 4) S _{R is} carried out automatically by means of a hydraulic centrifugal regulator located in the flange 33 (34) (Fig. 1).

При работе мотора-рекуператора в режиме постоянной минимальной мощности игла 37 выдвинута влево до упора. При этом площадь проходного сечения сопла 35(36) S_R минимальна. При повышении частоты вращения

блока цилиндров 1 (фиг. 1) (например, в режиме рекуперативного торможения) или вследствие увеличения тепловой мощности возрастает центробежное давление Р_ц в полостях гидроцилиндров 39(40), соединенных с радиальными каналами 47(48) (фиг. 1)
P_ц

. (9)
В результате пружина 41 (фиг. 4), имеющая нелинейную рабочую характеристику сдеформируется, уравновесив давление на поршень 38, и игла 37 отойдет вправо, увеличив таким образом площадь проходного сечения сопла 35(36) S_R. Чтобы исключить воздействие на пружину 41 колебаний давления Р_н в полости нагнетания 29(30) (фиг. 1) гидронасоса, полость сопла 35(36) (фиг. 4) соединена при помощи канала 46, выполненного в игле 37, с цилиндром 43(44), с которым сопрягается хвостовик 42 иглы 37. Благодаря этому давление в полостях 35(36) и 43(44) взаимно уравновешивается.When the motor-recuperator is in constant minimum power mode, the needle 37 is extended to the left to the stop. In this case, the area of the nozzle passage 35 (36) S _{R is} minimal. With increasing speed

cylinder block 1 (Fig. 1) (for example, in the mode of regenerative braking) or due to an increase in thermal power, the centrifugal pressure R _c increases in the cavities of the hydraulic cylinders 39 (40) connected to the radial channels 47 (48) (Fig. 1)
P _c

. (nine)
As a result, a spring 41 (Fig. 4) having a non-linear operating characteristic is deformed, balancing the pressure on the piston 38, and the needle 37 moves to the right, thereby increasing the area of the nozzle 35 (36) S _R through passage. In order to exclude the influence of pressure fluctuations P _n in the discharge cavity 29 (30) (Fig. 1) of the hydraulic pump on the spring 41, the cavity of the nozzle 35 (36) (Fig. 4) is connected via a channel 46 made in the needle 37 to the cylinder 43 ( 44), with which the shank 42 of the needle 37 mates. Due to this, the pressure in the cavities 35 (36) and 43 (44) is mutually balanced.

Зависимость (8) изменения площади проходного сечения сопла 35(36) (фиг. 4) S_R от угловой скорости ω₁ блока цилиндров 1 (фиг. 1) позволяет выдерживать прямую пропорцию между частотой тактообразования n_т и средней скоростью u_ср поршней 3(4) на тактовом угле рабочего хода, где работа осуществляется в спободнопоршневом режиме. При этом во всем диапазоне частот вращения блока цилиндров 1 обеспечивается необходимое перемещение рабочих поршней 3(4) по закону, близкому к синусоидальному.The dependence (8) of the change in the area of the orifice of the nozzle 35 (36) (Fig. 4) S _R on the angular velocity ω ₁ of the cylinder block 1 (Fig. 1) makes it possible to maintain a direct proportion between the clock rate n _t and the average speed u _{cf of the} pistons 3 ( 4) at the stroke angle of the stroke, where the work is carried out in free piston mode. Moreover, in the entire range of frequencies of rotation of the cylinder block 1, the necessary movement of the working pistons 3 (4) is ensured according to a law close to sinusoidal.

Благодаря редукции тактообразования, частота перемещений поршней 3(4) не превышает 6-7 двойных ходов в секунду. Это позволяет использовать в качестве рабочего тела воздух, что упрощает систему уплотнений. Кроме этого, мотор-рекуператор оснащен компрессором для компенсации утечек рабочего тела (воздуха). При перемещении поршней 3(4) из нижней мертвой точки в верхнюю воздух из подпоршневой полости 60(61) гидронасоса периодически вытесняется через обратный клапан 62 в холодную полость 19(20) цилиндра 5(6), что обеспечивает постоянное значение среднего давления цикла. Due to the reduction of clock formation, the frequency of movement of the pistons 3 (4) does not exceed 6-7 double strokes per second. This allows you to use air as a working fluid, which simplifies the sealing system. In addition, the motor-recuperator is equipped with a compressor to compensate for leaks of the working fluid (air). When the pistons 3 (4) move from the bottom dead center to the upper air from the piston cavity 60 (61), the hydraulic pump is periodically displaced through the check valve 62 into the cold cavity 19 (20) of the cylinder 5 (6), which ensures a constant value of the average cycle pressure.

Конструкция системы охлаждения мотора-рекуператора предусматривает регенерацию тепла, отводимого из холодильников 15(16). После прохождения через холодильники 15(16) турбожидкость 53 выбрасывается под давлением из сопл 35(36) (фиг. 4) сквозь окна 54 (фиг. 2), выполненные в ступицах 55 и 56, на стенки заборных щелей 57 и 58 кожуха 59. При этом высокоскоростная струя турбожидкости 53 (фиг. 1) пересекает поток воздуха, который поступает из воздухозаборника 88 (фиг. 2) посредством центробежного нагнетателя 87, и проходит через зазор между кожухом 59 и тактообразующим кольцом 21. Происходит открытый теплообмен, в процессе которого тепло, отобранное у рабочего тела и саккумулированное в турбожидкости 53 (фиг. 1), переходит к воздуху, поступающему по воздуховоду 90 (фиг. 2) в предварительный подогреватель 89 и затем в камеру сгорания 85. Благодаря этому частично исключаются тепловые потери, связанные с охлаждением мотора-рекуператора и повышается КПД последнего. The design of the cooling system of the motor-recuperator provides for the regeneration of heat removed from the refrigerators 15 (16). After passing through the refrigerators 15 (16), the turbo-fluid 53 is ejected under pressure from the nozzles 35 (36) (Fig. 4) through the windows 54 (Fig. 2), made in the hubs 55 and 56, onto the walls of the intake slots 57 and 58 of the casing 59. In this case, a high-speed turbo-liquid jet 53 (Fig. 1) crosses the air flow that enters from the air intake 88 (Fig. 2) by means of a centrifugal supercharger 87 and passes through the gap between the casing 59 and the tact-forming ring 21. An open heat exchange occurs during which heat taken from the working fluid and accumulated in the tour fluid 53 (Fig. 1), passes to the air entering through the duct 90 (Fig. 2) to the preheater 89 and then to the combustion chamber 85. Due to this, heat losses associated with cooling of the recuperator motor are partially eliminated and the efficiency of the latter is increased.

Нагревательная головка мотора-рекуператора представляет собой сменную керамическую вставку 2. На цилиндрической поверхности вставки 2 выполнены гнезда 7(8) (фиг. 1), с которыми сопрягаются гильзы цилиндров 5(6). Циркуляция рабочего тела (воздуха) происходит по нагревательным каналам 11 (фиг. 2) (на фиг. 1 показаны схематично), имеющим выход в куполообразной части гнезд 7(8). The heating head of the motor-recuperator is a replaceable ceramic insert 2. On the cylindrical surface of the insert 2 there are nests 7 (8) (Fig. 1), with which the cylinder liners 5 (6) are mated. The circulation of the working fluid (air) occurs along the heating channels 11 (Fig. 2) (shown in Fig. 1 schematically), having an outlet in the domed part of the sockets 7 (8).

Процесс передачи тепла к керамической вставке 2 (фиг. 2) осуществляется при непрерывном протекании высокотемпературных продуктов сгорания по продольным сквозным каналам 83, после чего отработанные газы проходят через предварительный подогреватель воздуха 89 и выбрасываются в атмосферу из выхлопного канала 92. The process of heat transfer to the ceramic insert 2 (Fig. 2) is carried out with the continuous flow of high-temperature combustion products through the longitudinal through channels 83, after which the exhaust gases pass through the air pre-heater 89 and are released into the atmosphere from the exhaust channel 92.

Таким образом, мотор-рекуператор представляет собой хорошо сбалансированный восьмицилиндровый радиально-поршневой двигатель Стирлинга, работающий в корректируемом свободнопоршневом режиме. Существенное снижение нагрузок на подшипники, использование в качестве рабочего тела воздуха, отсутствие системы регулирования среднего давления цикла и применение сменной, нагревательной головки, выполненной из керамики, присущих двигателям Стирлинга известной конструкции. Благодаря этому мотор-рекуператор является надежным высокоэкономичным источником механической энергии и безопасным инерционным накопителем для рекуперативного привода городского автотранспорта. Thus, the motor-recuperator is a well-balanced eight-cylinder Stirling radial-piston engine operating in an adjustable free-piston mode. A significant reduction in bearing loads, the use of air as a working fluid, the absence of an average cycle pressure control system and the use of a replaceable, heating head made of ceramics inherent to Stirling engines of known design. Thanks to this, the motor-recuperator is a reliable highly economical source of mechanical energy and a safe inertial storage device for the regenerative drive of urban vehicles.

Claims

MOTOR-RECOVERATOR, comprising a housing with a movable block, in which the main thermal system is located, including working cylinders, each of which has a piston and a common rod in contact with the profile ring of the clocking mechanism, and an energy conversion mechanism, characterized in that it is equipped with an additional an autonomous thermal system similar to the main one, while the working cylinders of the main and additional systems are located in the moving block in pairs and axisymmetrically, and the common rods of each pair of cylinders are are mathematically interconnected with the possibility of moving in opposite directions by means of an introduced equal-arm linkage mechanism, for example a rack-and-pinion transmission, and the energy conversion mechanism is made in the form of piston hydraulic pumps connected to tangential nozzles of a jet hydraulic turbine, in the cavity of each of which there is a needle of variable cross-sectional length, equipped with driven by its longitudinal displacements.