RU2189480C2

RU2189480C2 - Design and method of operation of engine

Info

Publication number: RU2189480C2
Application number: RU2000104626/06A
Authority: RU
Inventors: В.И. Андреев
Original assignee: Андреев Виктор Иванович; Петров Сергей Иванович; Андреев Константин Викторович
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines. SUBSTANCE: invention relates to engines with external supply of heat and method of operation of said engines. Invention can be used at designing of compact and ecologically clean engines with high specific characteristics. According to invention hot spaces (piston and rod ones) are formed in hot cylinder, and cold spaces (piston and rod ones) in opposite cold cylinder. All spaces and main lines are filled with working medium under gauge pressure and operate at 180^° phase shift. Full cycle is accomplished at one turn of crankshaft. Said engine operates at external supply of heat. EFFECT: increased efficiency, improved relative weight and overcall dimensions characteristics, dispensing with regenerators and connecting rod mechanisms. 7 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, а точнее к устройству двигателей с внешним подводом теплоты и способу их работы. The invention relates to engine building, and more specifically to a device for engines with an external supply of heat and the way they work.

Известно устройство двигателя с внешним подводом теплоты по патенту 2006640, работающего по циклу Андреева, см. а.с. 476369, содержащее две пары сильфонных цилиндров, у которых горячие сильфоны выполнены большего диаметра, чем холодные, а межцилиндровый газообмен между ними осуществлен через посредство клапана, кинематически связанного с силовым механизмом и размещенного в диафрагме, разделяющей оппозитные горячие сильфоны. A device is known for an engine with an external supply of heat according to the patent 2006640, working on the Andreev cycle, see A.S. 476369, containing two pairs of bellows cylinders in which hot bellows are made larger in diameter than cold ones, and inter-cylinder gas exchange between them is carried out through a valve kinematically connected to the power mechanism and placed in a diaphragm separating opposed hot bellows.

Недостатками этого двигателя является недолговечность сильфонов и политропный характер межцилиндрового газообмена, снижающий термодинамический кпд. The disadvantages of this engine are the fragility of the bellows and the polytropic nature of the inter-cylinder gas exchange, which reduces the thermodynamic efficiency.

Наиболее близким по устройству и способу работы является двигатель по а. с. 541039, кл. F 02 G 1/04, работающий по циклу Андреева по а.с. 476369, кл. F 02 G 1/04, содержащий корпус с силовым механизмом отбора мощности, кинематически связанный со штокопоршневыми группами, расположенными в оппозитных рабочих цилиндрах, каждый из которых образует горячую поршневую и холодную штоковую полости, постоянно сообщенные друг с другом через подогреватель и регенератор и эпизодически сообщающиеся через газораспределительные каналы с оппозитными полостями при экстремальных положениях поршней. The closest to the device and method of operation is the engine by a. from. 541039, cl. F 02 G 1/04, working according to the Andreev cycle according to A.S. 476369, cl. F 02 G 1/04, comprising a housing with a power take-off mechanism, kinematically connected with piston-piston groups located in opposed working cylinders, each of which forms hot piston and cold rod cavities, constantly communicating with each other through a heater and a regenerator and occasionally communicating through gas distribution channels with opposed cavities at extreme positions of the pistons.

Недостатками этого двигателя являются размещение горячего и холодного объемов в одном цилиндре, наличие регенераторов, чувствительных к загрязнению смазкой, а также политропный характер межцилиндрового газообмена. Все это приводит к снижению термодинамического кпд и повышению температурной напряженности подогревателей, что в конечном счете ухудшает относительные показатели двигателя. The disadvantages of this engine are the placement of hot and cold volumes in one cylinder, the presence of regenerators sensitive to grease contamination, and the polytropic nature of the inter-cylinder gas exchange. All this leads to a decrease in thermodynamic efficiency and an increase in the temperature intensity of heaters, which ultimately worsens the relative performance of the engine.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения кпд, улучшения относительных весовых и габаритных показателей и отказа от регенераторов. The present invention solves the problem of improving efficiency, improving the relative weight and overall performance and the rejection of regenerators.

Поставленная задача в устройстве и способе работы двигателя решается тем, что горячие полости (поршневая и штоковая) образованы в горячем цилиндре, а холодные полости (поршневая и штоковая) - в соосно расположенном холодном цилиндре, работающем со сдвигом по фазе на 180^o, при этом все полости и магистрали заполнены под избыточным давлением газообразным рабочим телом (р. т. ), а система газораспределения выполнена в виде вращающихся пробковых газораспределителей, связанных с валом отбора мощности кинематикой, обеспечивающей снижение их числа оборотов по сравнению с числом оборотов вала отбора мощности, с возможностью реализации внутрицилиндрового газообмена при рабочем ходе, а межцилиндрового газообмена - при подготовительном ходе, осуществляя таким образом весь рабочий цикл за один оборот коленвала: при рабочем ходе - расширение р.т. в горячем цилиндре и механическое его сжатие в холодном цилиндре, при подготовительном ходе - наддув р.т. из горячего в холодный цилиндр и последующий перепуск остального горячего р.т. из горячей поршневой полости в холодную и из холодной штоковой полости в горячую. При этом подготовительный ход реализуется без затраты работы (потери на трение пренебрежимо малы), теплообменник для передачи теплоты от горячего рабочего тела к холодному выполнен противоточным, а плунжерная и поршневая полости холодного цилиндра сообщены друг с другом посредством газообменного тракта, снабженного раздельными холодильниками, один из которых сообщен посредством клапана наддува с полостями холодного цилиндра. Полный цикл совершается за один оборот коленвала и может быть показан на диаграмме P,V изотермой сжатия р.т., изохорой нагрева (повышения давления) р.т., изотермой его расширения и двумя политропами охлаждения (понижения давления) р.т. При этом рабочее тело разделяют на два разобщенных объема таким образом, что в такте расширения количество рабочего тела получают больше, чем в такте его механического сжатия, путем сообщения полостей только для выхлопа р.т. из горячего цилиндра в холодный и усреднения давления в обоих цилиндрах, а реальная диаграмма P,V не отличается от теоретической, т.к. не имеет "скруглений", свойственных известным способам работы тепловых двигателей.The problem in the device and the method of operation of the engine is solved by the fact that hot cavities (piston and rod) are formed in the hot cylinder, and cold cavities (piston and rod) are formed in the coaxially located cold cylinder, working with a phase shift of 180 ^o , while all cavities and mains are filled under excess pressure with a gaseous working fluid (r.t.), and the gas distribution system is made in the form of rotating plug valves, associated with the power take-off shaft by kinematics, which reduces their number revolutions compared with the number of revolutions of the power shaft, with the possibility of implementing the gas exchange intracylinder when working stroke, and the gas exchange mezhtsilindrovogo - when during preparation, thus carrying the entire working cycle during a single rotation of the crankshaft: the working stroke - expanding rt in a hot cylinder and its mechanical compression in a cold cylinder, during the preparatory course - supercharging from hot to cold cylinder and the subsequent bypass of the remaining hot r.t. from a hot piston cavity to a cold cavity and from a cold rod cavity to a hot one. In this case, the preparatory course is realized without the cost of work (friction losses are negligible), the heat exchanger for the transfer of heat from the hot working fluid to the cold is countercurrent, and the plunger and piston cavities of the cold cylinder are connected to each other through a gas exchange path equipped with separate refrigerators, one of which is communicated through the boost valve with the cavities of the cold cylinder. A complete cycle takes place in one revolution of the crankshaft and can be shown in diagram P, V by the isotherm of compression of the mercury column, the isochore of heating (pressure increase) of the mercury column, the isotherm of its expansion and two polytropes of cooling (pressure reduction) of the mercury column. In this case, the working fluid is divided into two disparate volumes in such a way that in the expansion stroke the amount of the working fluid is obtained more than in the stroke of its mechanical compression, by communicating the cavities only for the exhaust of mercury from a hot cylinder to a cold one and averaging the pressure in both cylinders, and the real diagram P, V does not differ from the theoretical one, because does not have "fillets" inherent in the known methods of operation of heat engines.

Изобретение может быть использовано при конструировании компактных и экологически чистых двигателей с высокими удельными показателями. The invention can be used in the design of compact and environmentally friendly engines with high specific indicators.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель в разрезе; на фиг.2 показано его сечение по А-А; на фиг.3 - сечение по Б-Б; на фиг.4 и 5, на принципиальных схемах, изображены последовательные позиции механизма газораспределения; на фиг. 6 показана диаграмма P,V работы двигателя; на фиг.7 - диаграмма Т, S. In FIG. 1 shows the proposed engine in the context; figure 2 shows its cross section along aa; figure 3 is a section along BB; figure 4 and 5, in schematic diagrams, shows the sequential position of the timing mechanism; in FIG. 6 shows a diagram P, V of engine operation; 7 is a diagram T, S.

Предлагаемое изобретение является двигателем с внешним подводом теплоты и состоит (см. фиг.1, 2 и 3) из картера 1, на котором оппозитно расположены холодный 2 и горячий 3 цилиндры с размещенными в них соответственно компрессионным поршнем 4 и рабочим поршнем 5, жестко закрепленными на общем плунжере 6, жестко сочлененном со штоком 7 водила 8 без шатунного силового механизма отбора мощности, включающего направляющие эксцентрики 9 и 10, зубчатый венец внутреннего зацепления 11 и шестерню 12, выполненную на коленвале 13, снабженном многозаходным червяком 14, находящимся в зацеплении с червячным колесом 15, жестко установленным на приводном валу 16 механизма газораспределения, состоящего, в свою очередь, из корпуса 17 и пробковых газораспределителей 18 и 19. На фиг.4 их пробки показаны в положении внутрицилиндрового газообмена, а на фиг.5 - в положении межцилиндрового газообмена. The present invention is an engine with an external supply of heat and consists (see Figs. 1, 2 and 3) of the crankcase 1, on which the cold 2 and hot 3 cylinders are located opposite, with the compression piston 4 and the working piston 5 fixed in them, rigidly fixed on a common plunger 6, rigidly articulated with a rod 7 of a carrier 8 without a connecting rod power take-off mechanism, including guide eccentrics 9 and 10, a gear ring of internal gearing 11 and a gear 12 made on a crankshaft 13 equipped with a multi-start worm 14, meshed with the worm wheel 15, rigidly mounted on the drive shaft 16 of the gas distribution mechanism, which, in turn, consists of a housing 17 and cork gas distributors 18 and 19. In Fig. 4, their plugs are shown in the position of the internal gas exchange, and figure 5 - in the position of the inter-cylinder gas exchange.

Цилиндры разделены вставкой 20, выполненной из теплоизоляционного материала, и посредством поршней 5 и 4 образуют переменные объемы: в горячем цилиндре 3 - поршневую полость расширения 21 и приемную плунжерную полость 22, а в холодном цилиндре 2 - плунжерную полость сжатия 23 и приемную поршневую полость 24, снабженную клапаном наддува 25. При внутрицилиндровом газообмене (см. фиг.4) полости 21 и 22 горячего цилиндра 3 сообщены друг с другом посредством газообменного тракта, состоящего из подогревателя 26 и проточки 27, выполненной в пробке 28 газораспределителя 19, а полости 23 и 24 холодного цилиндра 2 сообщены друг с другом посредством газообменного тракта, состоящего из холодильника 29, проточки 30 в пробке 31 газораспределителя 18 и холодильника 32. The cylinders are separated by an insert 20 made of heat-insulating material, and by means of pistons 5 and 4 form variable volumes: in a hot cylinder 3 - a piston expansion cavity 21 and a receiving plunger cavity 22, and in a cold cylinder 2 - a plunger compression cavity 23 and a receiving piston cavity 24 equipped with a boost valve 25. When the internal cylinder gas exchange (see figure 4), the cavity 21 and 22 of the hot cylinder 3 are communicated with each other by means of a gas exchange path, consisting of a heater 26 and a groove 27 made in the gas distribution plug 28 the separator 19, and the cavities 23 and 24 of the cold cylinder 2 are communicated with each other by means of a gas exchange path consisting of a refrigerator 29, a groove 30 in the plug 31 of the gas distributor 18 and the refrigerator 32.

На фиг. 5 изображено положение пробок газораспределителя при межцилиндровом газообмене (после поворота коленвала на 180^o), когда горячая поршневая полость расширения 21 будет сообщена с холодной приемной поршневой полостью 24 через посредство подогревателя 26, канала 33, выполненного в пробке 28, каналов 34 противоточного теплообменника, канала 35, пробки 31, газораспределителя 18 и холодильника 32, а также клапана наддува 25. Кроме того, пробки 31 и 28 снабжены каналами 36 и 37. Все полости двигателя, противоточного теплообменника 38 и газообменные тракты заполнены под избыточным давлением рабочим телом (р. т.), например гелием, а герметизация их обеспечена свертывающимся диафрагменным уплотнением 39, см. фиг.1.In FIG. 5 shows the position of the gas distribution plugs during inter-cylinder gas exchange (after turning the crankshaft through 180 ^° ), when the hot piston expansion chamber 21 will be in communication with the cold receiving piston cavity 24 through a heater 26, a channel 33 made in the tube 28, channels 34 of a counterflow heat exchanger, channel 35, plugs 31, gas distributor 18 and refrigerator 32, as well as boost valve 25. In addition, plugs 31 and 28 are provided with channels 36 and 37. All cavities of the engine, counterflow heat exchanger 38 and gas exchange paths are filled They are pressurized with a working fluid (rt), for example helium, and their sealing is provided by a coagulating diaphragm seal 39, see Fig. 1.

Камера сгорания и горелка условно не показаны. The combustion chamber and burner are conventionally not shown.

Предлагаемый двигатель работает при подводе теплоты извне следующим образом. The proposed engine operates when supplying heat from the outside as follows.

В позиции, изображенной на фиг. 1 и 4, т.е. в верхней мертвой точке (ВМТ), (на диаграмме P,V эта позиция соответствует точкам 4 и 1), плунжерная полость 22 горячего цилиндра 3 через пробковый газораспределитель 19 и подогреватель 26 сообщается с поршневой полостью 21, а плунжерная полость 23 холодного цилиндра через холодильник - 29 и пробковый газораспределитель 18 сообщается с приемной поршневой полостью 24 холодного цилиндра 2, см. фиг.3. Вследствие этого, при движении поршневой группы вниз, будут происходить внутрицилиндровые газообмены в горячем и холодном цилиндрах соответственно, при которых в горячем цилиндре 3, вследствие изотермического расширения р.т. , будет совершаться рабочий ход (на диаграмме P,V этому соответствует изотерма 4-5), а в холодном цилиндре 2 будет происходить изотермический процесс механического сжатия р.т. На диаграмме P,V этому соответствует изотерма 1-2. At the position shown in FIG. 1 and 4, i.e. at top dead center (TDC), (in diagram P, V this position corresponds to points 4 and 1), the plunger cavity 22 of the hot cylinder 3 through the plug valve 19 and the heater 26 communicates with the piston cavity 21, and the plunger cavity 23 of the cold cylinder through the refrigerator - 29 and plug valve 18 communicates with the receiving piston cavity 24 of the cold cylinder 2, see figure 3. As a result of this, when the piston group moves downward, intracylinder gas exchanges will occur in the hot and cold cylinders, respectively, in which in the hot cylinder 3, due to isothermal expansion of the mercury column , a working stroke will take place (in diagram P, V this corresponds to isotherm 4-5), and in the cold cylinder 2 the isothermal process of mechanical compression of the mercury will take place In diagram P, V, isotherm 1-2 corresponds to this.

При подходе к нижней мертвой точке (НМТ) пробки газораспределителей 18 и 19 займут положение, изображенное на фиг.3, и все переменные объемы сообщатся друг с другом: полость расширения 21 горячего цилиндра 3 сообщится через подогреватель 26, канал 33 пробки 28 газораспределителя 19 и далее через каналы 34 противоточного теплообменника, канал 35 пробки 31 газораспределителя 18, холодильник 32 с приемной полостью 24 и через клапан наддува 25 с плунжерной полостью 23 и далее через холодильник 29, газораспределитель 18 и межтрубное пространство противоточного теплообменника 38 и газораспределитель 19 с плунжерной полостью 22 горячего цилиндра 3. В результате чего, под действием избыточного давления в горячей полости расширения 21, произойдет выхлоп р.т. из нее и наддув в полости 24 и 23 холодного цилиндра 2 через клапан наддува 25 (см. соответственно политропу 5-6 и политропу 2-3 на диаграмме P, V), поэтому в холодном цилиндре давление, а следовательно, и количество р.т. возрастет. В результате чего давление р.т. усреднится, т.е. станет во всех полостях одинаковым и клапан наддува 25 закроется, а в плунжерной полости 23 холодного цилиндра 2 количество (масса) рабочего тела вследствие более низкой его температуры, окажется больше, чем в горячем цилиндре 3. When approaching the bottom dead center (BDC), the gas distribution plugs 18 and 19 will occupy the position shown in Fig. 3, and all variable volumes will communicate with each other: the expansion cavity 21 of the hot cylinder 3 will communicate through the heater 26, the channel 33 of the gas distribution plugs 28 and 19 then through channels 34 of the counterflow heat exchanger, channel 35 of the plug 31 of the gas distributor 18, a refrigerator 32 with a receiving cavity 24 and through a boost valve 25 with a plunger cavity 23, and then through a refrigerator 29, a gas distributor 18 and the annular space of the counterflow of the heat exchanger 38 and the gas distributor 19 with the plunger cavity 22 of the hot cylinder 3. As a result, under the action of excessive pressure in the hot expansion cavity 21, an RTH exhaust will occur from it and pressurization in the cavities 24 and 23 of the cold cylinder 2 through the boost valve 25 (see, respectively, polytropic 5-6 and polytropic 2-3 in diagram P, V), therefore, the pressure in the cold cylinder, and therefore the amount of r.t . will increase. As a result, the pressure of mercury averaged, i.e. will become the same in all cavities and the boost valve 25 will close, and in the plunger cavity 23 of the cold cylinder 2, the quantity (mass) of the working fluid due to its lower temperature will be greater than in the hot cylinder 3.

Далее, при движении поршней 4 и 5 вверх холодное р.т. из плунжерной полости 23 будет вытесняться через холодильник 29, выточку в пробке 31 газораспределителя 18 и межтрубное пространство противоточного теплообменника 38 (где оно отберет теплоту от каналов 34 встречного горячего потока р.т.) в равную по размеру приемную плунжерную полость 22 горячего цилиндра 3, вследствие чего температура и давление р.т. будут возрастать, см. изохору 3-4 на диаграмме P,V. Further, when the pistons 4 and 5 move up, the cold r.t. from the plunger cavity 23 will be forced out through the refrigerator 29, the recess in the plug 31 of the gas distributor 18 and the annular space of the counter-flow heat exchanger 38 (where it will take the heat from the channels 34 of the oncoming hot mercury stream) to an equally sized receiving plunger cavity 22 of the hot cylinder 3, as a result, the temperature and pressure of mercury will increase, see isochore 3-4 in diagram P, V.

Одновременно будет происходить процесс вытеснения горячего р.т., оставшегося после выхлопа, из полости расширения 21 в близкую по размеру приемную полость 24 холодного цилиндра 2 через подогреватель 26, канал 33 пробки 28 газораспределителя 19, каналы 34 противоточного теплообменника 38 (где его теплота будет отобрана встречным холодным потоком р.т.) и далее через канал 35 пробки 31 газораспределителя 18 и холодильник 32 в приемную полость 24 холодного цилиндра 2, вследствие чего давление и температура р.т. будут падать. На диаграмме P,V см. политропу 6-1. At the same time, there will be a process of displacing the hot mercury remaining after the exhaust from the expansion cavity 21 to a similarly sized receiving cavity 24 of the cold cylinder 2 through the heater 26, channel 33 of the plug 28 of the gas distributor 19, channels 34 of the counterflow heat exchanger 38 (where its heat will be selected counter-cold flow of mercury) and then through the channel 35 of the plug 31 of the gas distributor 18 and the refrigerator 32 into the receiving cavity 24 of the cold cylinder 2, as a result of which the pressure and temperature of the mercury will fall. In diagram P, V, see polytropic 6-1.

В результате, при подходе поршневых групп 4 и 5 к верхней мертвой точке, см. фиг.1 и 5, все р.т. из плунжерной полости 23 холодного цилиндра 2 будет вытеснено в приемную плунжерную полость 22 горячего цилиндра 3, а все горячее р. т. из полости расширения 21 будет вытеснено в приемную полость 24 холодного цилиндра 2, и затем (см. фиг.4) каналы 34 и межтрубное пространство противоточного теплообменника 38 сообщатся посредством пробок 31 и 28 газораспределителей 18 и 19 друг с другом, т.е. система придет в исходное положение, и вновь начнется внутрицилиндровый газообмен, как показано на фиг.4. As a result, when the piston groups 4 and 5 approach the top dead center, see FIGS. 1 and 5, all r.t. from the plunger cavity 23 of the cold cylinder 2 will be forced into the receiving plunger cavity 22 of the hot cylinder 3, and all hot p. i.e., from the expansion cavity 21 it will be forced into the receiving cavity 24 of the cold cylinder 2, and then (see FIG. 4) the channels 34 and the annular space of the counterflow heat exchanger 38 will communicate with each other through the plugs 31 and 28 of the gas distributors 18, i.e. . the system will return to its original position, and intracylinder gas exchange will begin again, as shown in FIG.

Из вышеизложенного следует, что в предлагаемом устройстве двигателя реализован новый способ, при котором рабочее тело во время цикла разделено на две изолированные друг от друга группы, за исключением момента выхлопа-наддува, что позволяет избежать скругления диаграммы P,V в реальном цикле и дает возможность обеспечить большее количество р.т. в рабочем такте и меньшее в такте сжатия, в результате чего термодинамический кпд становится выше, чем в цикле Карно, а это позволяет строить двигатели с внешним подводом теплоты с лучшими, чем в известных тепловых двигателях относительным и абсолютным показателями. It follows from the foregoing that the proposed engine arrangement implements a new method in which the working fluid is divided into two separate groups during the cycle, with the exception of the boost-exhaust moment, which avoids rounding of the P, V diagram in a real cycle and makes it possible provide more mercury in the working cycle and less in the compression cycle, as a result of which the thermodynamic efficiency becomes higher than in the Carnot cycle, and this allows you to build engines with external heat supply with better relative and absolute indicators than in known heat engines.

Claims

1. An engine device containing hot and cold double-acting cylinders communicated with each other by a gas exchange path through a gas distribution heater, refrigerators and a gaseous working fluid filling all cavities under overpressure, and the pistons located in the cylinders are mounted on a common plunger kinematically connected with a power take-off mechanism, characterized in that the plunger and piston cavities of the cold cylinder are in communication with each other by means of a gas exchange a missile equipped with separate refrigerators, one of which is connected by means of a boost valve with the cavities of the cold cylinder, and the gas distribution system is made in the form of rotating plug valves, connected with the power take-off shaft by kinematics, which ensures a reduction in their speed compared to the number of turns of the power take-off shaft power take-off is carried out through an eccentric power mechanism rigidly connected through the rod to the piston-piston group.

2. The method of operation of the engine by filling with a gaseous working fluid under positive pressure hot and cold double-acting cylinders, connected to each other by a gas exchange path through a gas distribution heater and refrigerators, characterized in that the working fluid is divided into two separated volumes in such a way that the expansion stroke, the amount of the working fluid is obtained more than in the stroke of its mechanical compression, by communicating cavities only for exhausting the working fluid from a hot cylinder In cold and pressure averaging in both cylinders, the method is described in the P, V and T, S diagrams of the compression isotherm, boost polytropic, heating-pressure increase isochore, expansion isotherm, exhaust polytropic and cooling-lowering pressure polytropic of the working fluid.