RU2224129C2

RU2224129C2 - Stirling engine with hermetically sealed chambers

Info

Publication number: RU2224129C2
Application number: RU2002109557/06A
Authority: RU
Inventors: В.М. Палецких
Original assignee: Палецких Владимир Михайлович
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2004-02-20

Abstract

FIELD: heat power engineering. SUBSTANCE: proposed engine contains displacement and actuating cylinders with hermetically sealed chambers connected by main line passing through thermal converters and motion transformer. Sealed chambers in displacement and actuating cylinders are interconnected by at least two main lines with gas-distributing mechanism making it possible to admit in turn hot gas into sealed chamber of actuating cylinder from gas main lines sealed chambers proper are made to change their volume, being made, for instance, in form of corrugations welded up of flat rings and provided with bottoms, bellows, packets, or made of elastic material. They are installed in liquid-filled cylinders to act onto motion transformer. Control over gas-distributing mechanisms is provided by electric, pneumatic, hydraulic or combination mechanism. Mechanical coupling with motion transformer is made either in form of rigid coupling-pusher, rod or rigid tie-rod, or hydraulic, or flexible, in form of cable, chain, cord, tape, belt, flexible pusher or combination one. EFFECT: optimization of gas flows, provision of hermetically sealed gas circuit for high pressure. 18 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано на транспорте, в судостроении, в том числе и в подводных аппаратах, в энергетике, в космосе. The invention relates to engine building and can be used in transport, shipbuilding, including underwater vehicles, in the energy sector, and in space.

Цикл Стирлинга в традиционных схемах осуществим только при достаточно сложном определенном порядке движения поршней, что требует сложных механизмов преобразования движения, таких, как ромбический механизм, который позволяет синхронизировать такой сложный порядок движения поршней, но не в полной мере, т.к. рабочие такты не имеют четких границ, что ведет к наслоению тактов и снижению кпд. Известны двигатели Стирлинга с механизмами преобразования движения кривошипно-шатунным, с косой шайбой и другими, но при этом цилиндры выполнены, как правило, двойного действия и работают по четырехтактному циклу, что предопределяет три холостых хода поршня, а количество цилиндров должно быть не менее четырех. При этом имеется ряд проблем по герметизации рабочих газовых контуров, сдерживающих увеличение давления газа в цилиндрах, смазке этих уплотнений, попадания смазки в тепловые преобразователи. Сами цилиндры двойного действия подвергаются высоким термическим нагрузкам из-за большой разности температур в верхней и нижней частях, при этом после такта рабочего хода в раскаленный цилиндр должен поступать холодный газ для такта сжатия (и наоборот), что естественным образом уменьшает термический кпд. К тому же простые газовые магистрали, хотя эффективны и технологичны, но не позволяют сделать двигатель Стирлинга высокоэнергичным двигателем. The Stirling cycle in traditional schemes is feasible only with a rather complicated specific order of movement of the pistons, which requires complex mechanisms for converting movement, such as a rhombic mechanism that allows you to synchronize such a complex order of movement of the pistons, but not fully, because working cycles do not have clear boundaries, which leads to layering of cycles and lower efficiency. Stirling engines with crank mechanisms, with a slanting washer and others are known, but the cylinders are usually double-acting and operate on a four-stroke cycle, which determines three idle pistons, and the number of cylinders should be at least four. At the same time, there are a number of problems in sealing working gas circuits that inhibit the increase in gas pressure in the cylinders, lubricating these seals, and grease getting into heat converters. The double-acting cylinders themselves are subjected to high thermal loads due to the large temperature difference in the upper and lower parts, and after the stroke of the working stroke, cold gas must flow into the hot cylinder for the compression stroke (and vice versa), which naturally reduces the thermal efficiency. In addition, simple gas lines, although efficient and technologically advanced, do not make the Stirling engine a high-energy engine.

Известен двигатель с внешним подводом теплоты "Тепловая машина Стирлинга и способ ее работы" (патент RU 2052647, 6 F 02 G 1/043, автор Меркулов Владимир Иванович), выбранный в качестве прототипа, содержащий четыре сильфона-компрессора и четыре сильфона-расширителя, попарно соединенных между собой тягами, при этом сильфоны-компрессоры одной пары соединены газовыми магистралями с сильфонами-расширителями другой пары, а вращение, по мнению автора, должно осуществляться на резонансной частоте, при которой упругие силы уравновешиваются инерционными силами посредством магнитной системы. Применение сильфонов решает много проблем по герметизации газового контура, но при этом невысокая прочность оболочки сильфона (при высокой прочности сильфон будет слабо подвижен и мощности магнитов для изменения его объема не хватит) не позволит иметь внутри него большое давление, а это низкая мощность. Known engine with external heat supply "Stirling heat engine and method of operation" (patent RU 2052647, 6 F 02 G 1/043, author Merkulov Vladimir Ivanovich), selected as a prototype, containing four bellows-compressor and four bellows-expander, pairwise interconnected by rods, while bellows-compressors of one pair are connected by gas lines to bellows-expanders of the other pair, and rotation, according to the author, should be carried out at a resonant frequency at which the elastic forces are balanced by inertial s by the magnetic system. The use of bellows solves many problems in sealing the gas circuit, but the low strength of the bellows shell (with high strength the bellows will be weakly mobile and the magnets will not have enough power to change its volume) will not allow it to have a lot of pressure inside it, and this is low power.

Основной недостаток в том, что если рассматривать показанное на фиг. 2 положение момента движения, то оно предполагает поднятие правого магнита 7 на сильфоне 1 и опускание левого, при этом из правой пары сильфонов газ из нижнего сильфона должен пойти в верхний сильфон средней пары, а из левой пары сильфонов газ из верхнего сильфона должен пойти в нижний сильфон средней пары, но при одновременном поступлении газа в верхний и нижний сильфон средней пары произойдет ее блокирование и она будет исключена из процесса колебания. То же самое произойдет и в противоположной (находящейся на 180^o) паре сильфонов, а при сдвиге ротора на 90^o из вновь получившейся средней пары сильфонов, которой станет бывшая левая пара сильфонов, газ из нее будет перемещен ("высосан") в крайние, т.е. она также будет исключена из процесса колебаний, а это значит, что система всегда будет самотормозиться и вращение осуществляться не будет, даже если ей придать импульс движения. К тому же выбранная схема не предполагает никакого управления скоростью вращения.The main disadvantage is that when viewed from FIG. 2 position of the moment of movement, it involves raising the right magnet 7 on the bellows 1 and lowering the left, while from the right pair of bellows gas from the lower bellows should go to the upper bellows of the middle pair, and from the left pair of bellows the gas from the upper bellows should go to the lower the bellows of the middle pair, but with the simultaneous flow of gas into the upper and lower bellows of the middle pair, it will block and it will be excluded from the oscillation process. The same thing will happen in the opposite (180 ^o ) pair of bellows, and when the rotor is shifted 90 ^o from the newly obtained middle pair of bellows, which will be the former left pair of bellows, the gas from it will be moved ("sucked out") to the extreme, those. it will also be excluded from the process of oscillations, which means that the system will always slow down and rotation will not occur, even if it is given an impulse of movement. In addition, the selected scheme does not imply any control of rotation speed.

Задачей изобретения является оптимизация газовых потоков и разработка герметичного газового контура для высокого давления. The objective of the invention is the optimization of gas flows and the development of a sealed gas circuit for high pressure.

Указанная цель достигается тем, что двигатель Стирлинга (двигатель с внешним подводом теплоты) содержит механизм преобразования движения, по крайней мере, по одному вытеснительному и силовому цилиндру с герметичными камерами, соединенными между собой, по крайней мере, двумя магистралями, оборудованными газораспределительным механизмом, позволяющим поочередно впускать горячий газ в силовой цилиндр из газовых магистралей, проходящих через тепловые преобразователи; управление газораспределительными клапанами производится электрическим, пневматическим гидравлическим, механическим или комбинированным механизмом; герметичные камеры могут быть выполнены в форме гофра, сваренного из плоских колец с закрытыми доньями, или в виде других форм, например сильфона, пакета, гармошки, шара (возможно, эластичного) и др. , изготовлены из подходящего материала и установлены в заполненных жидкостью цилиндрах, и способны изменять свой объем, и тем самым количество жидкости в цилиндрах, которая в свою очередь воздействует на привод механизма преобразования движения; кинематическая связь с преобразователем движения может быть выполнена либо в виде жесткой связи - толкателя, штока, или жесткой тяги и т.п., либо гидравлической, либо гибкой - троса, каната, цепи, шнура, ленты, ремня, гибкого толкателя и т.п., либо комбинированной, механизм преобразования движения выполнен в виде роторного преобразователя с гидравлической связью с цилиндрами, содержащим либо цилиндрический статор, по крайней мере, с одной разделительной пластиной, внутри которого соосно расположен цилиндрический ротор, по крайней мере, с одним кулачком, приводимый во вращение посредством давления жидкости, либо установленный на кривошипе силового вала цилиндрического ротора, перекатывающегося по внутренней цилиндрической поверхности статора, либо в виде кривошипно-шатунного механизма преобразования движения, регулирование скорости изменения объема герметичной камеры и тем самым скорости вращения силового вала и/или мощности двигателя осуществляется путем изменения проходного отверстия магистралей передвижения рабочего газа и/или жидкости посредством дросселей и/или клапанов, и/или путем регулирования количества рабочего газа в магистрали из газовой емкости или в газовую емкость посредством насоса или компрессора, поршни и цилиндры оборудованы тепловой изоляцией, рубашки силовых и вытеснительных цилиндров заполнены теплоносителем и соединены посредством теплопередающей связи, например, в виде тепловых труб, с нагревателями и холодильниками тепловых преобразователей соответственно, цилиндры омываются охлаждающей жидкостью, в цилиндрах или в гидравлических магистралях трансмиссии установлены тепловые фильтры в виде свободного теплоизолированного поршня, разделяющего горячий и холодный объемы жидкости, гидравлические магистрали оборудованы радиаторами (холодильниками), увеличение оборотов и/или мощности осуществляется посредством вытеснения газа из цилиндра управления с герметичной камерой посредством поршня управления, привод поршня управления осуществляется посредством усилителя, например, пневматического, вакуумного, гидравлического, электрического, механического или комбинированного, поддержание минимального давления в газовой магистрали осуществляется посредством газового редуктора из баллона с газом, рабочий цикл может быть выполнен открытым. This goal is achieved by the fact that the Stirling engine (an engine with an external supply of heat) contains a movement conversion mechanism for at least one displacement and power cylinder with hermetic chambers, interconnected by at least two highways equipped with a gas distribution mechanism, allowing in turn to let hot gas into the power cylinder from the gas lines passing through the heat converters; gas distribution valves are controlled by an electric, pneumatic hydraulic, mechanical or combined mechanism; sealed chambers can be made in the form of a corrugation welded from flat rings with closed bottoms, or in the form of other forms, for example, a bellows, a package, an accordion, a ball (possibly elastic), etc., made of a suitable material and installed in liquid-filled cylinders , and are able to change their volume, and thereby the amount of fluid in the cylinders, which in turn acts on the drive of the motion conversion mechanism; kinematic connection with the motion converter can be made either in the form of a rigid connection - a pusher, a rod, or rigid traction, etc., or hydraulic or flexible - a cable, rope, chain, cord, tape, belt, flexible pusher, etc. p. or combined, the movement conversion mechanism is made in the form of a rotary transducer with hydraulic connection with cylinders, containing either a cylindrical stator with at least one dividing plate, inside of which a cylindrical rotor coaxially located, at least one m cam driven by means of fluid pressure, either mounted on the crank of the power shaft of a cylindrical rotor rolling on the inner cylindrical surface of the stator, or in the form of a crank mechanism for converting movement, controlling the rate of change of the volume of the sealed chamber and thereby the speed of rotation of the power shaft and / or engine power is carried out by changing the bore of the mains for the movement of the working gas and / or liquid through chokes and / or valves, and / or by regulating the amount of working gas in the line from the gas tank or to the gas tank by means of a pump or compressor, the pistons and cylinders are thermally insulated, the shirts of the power and displacement cylinders are filled with coolant and connected via heat transfer connection, for example, in the form of heat pipes , with heaters and refrigerators of heat converters, respectively, the cylinders are washed with coolant, t are installed in the cylinders or in the hydraulic transmission lines floor filters in the form of a free thermally insulated piston separating hot and cold volumes of liquid, hydraulic lines are equipped with radiators (refrigerators), revolutions and / or power are increased by displacing gas from the control cylinder with a sealed chamber by means of a control piston, the control piston is driven by an amplifier, e.g. pneumatic, vacuum, hydraulic, electrical, mechanical or combined, maintaining minimum pressure In the gas line, gas is carried out using a gas reducer from a gas cylinder; the duty cycle can be performed open.

Технический результат от реализации изобретения заключается в том, что двигатель Стирлинга с герметичными камерами позволит существенно снизить потери рабочего газа, полностью исключить загрязнение теплообменников смазочными и другими материалами, иметь постоянную температуру рабочих цилиндров, применять любой механизм преобразования движения (преобразователь движения), увеличить амортизационный срок, улучшить эксплуатационные параметры, работать по двухтактному циклу без уменьшения мощности, снизить весогабаритные показатели на единицу мощности, увеличить время на нагрев рабочего газа, использовать маломощные нагреватели, экономить топливо, поддерживать в цилиндрах температуру без перепадов такую же, как и в тепловых преобразователях, осуществлять нагрев и охлаждение газа в цилиндрах, снимать большую мощность и иметь более равномерный крутящий момент, улучшить экологические показатели, использовать при минимальной доработке существующие двигатели внутреннего сгорания. The technical result from the implementation of the invention lies in the fact that the Stirling engine with hermetic chambers will significantly reduce the loss of working gas, completely eliminate the pollution of heat exchangers with lubricants and other materials, have a constant temperature of the working cylinders, use any movement conversion mechanism (motion converter), increase the depreciation period , improve operational parameters, work on a push-pull cycle without reducing power, reduce weight and dimensions and a unit of power, increase the time for heating the working gas, use low-power heaters, save fuel, maintain the temperature in the cylinders without differences the same as in heat converters, heat and cool the gas in the cylinders, remove more power and have a more uniform torque , improve environmental performance, use with minimal modification existing internal combustion engines.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема двигателя с механическим преобразователем движения с замкнутым циклом. In FIG. 1 shows a schematic diagram of an engine with a mechanical closed-loop motion converter.

На фиг.2 изображена принципиальная схема двигателя с гидравлической трансмиссией и гидравлическим преобразователем движения. Figure 2 shows a schematic diagram of an engine with a hydraulic transmission and a hydraulic motion converter.

Принципиально двигатель Стирлинга с герметичными камерами состоит из двух гидроцилиндров 22, 35 (фиг.1), заполненных жидкостью 23, 33, внутри которых оборудованы герметичные камеры 20, 37, способные изменять объем, соединенные между собой газовыми магистралями 2, 3, проходящим через тепловые преобразователи: холодильник 8, регенераторы 4, 5, нагреватель 1. Поршни 24, 32 гидроцилиндров 22, 35 соединены посредством шатунов 25, 30 с коленчатым валом 27 кривошипно-шатунного преобразователя механического движения. От коленчатого вала 27 посредством зубчато-ременной, цепной или другой передачи от шкива 29 приводится во вращение распределительный вал 38, который посредством кулачков приводит в действие клапаны 40, 41, 9, 11. Fundamentally, the Stirling engine with sealed chambers consists of two hydraulic cylinders 22, 35 (Fig. 1) filled with liquid 23, 33, inside of which are sealed chambers 20, 37, capable of changing the volume, interconnected by gas pipelines 2, 3, passing through the heat converters: refrigerator 8, regenerators 4, 5, heater 1. Pistons 24, 32 of hydraulic cylinders 22, 35 are connected by connecting rods 25, 30 to the crankshaft 27 of the crank transducer of mechanical movement. A camshaft 38 is driven from the crankshaft 27 by means of a gear-belt, chain or other transmission from the pulley 29, which actuates valves 40, 41, 9, 11 by means of cams.

Замкнутый цикл осуществляется за два подцикла, в каждом из которых по два рабочих такта: 1 - "рабочий ход - сжатие - нагрев", 2 - "выпуск - охлаждение - впуск", причем такты "рабочий ход" и "выпуск" проходят в силовом цилиндре 35, "впуск" и "сжатие" в вытеснительном 22, а "нагрев" и "охлаждение" - в тепловых преобразователях 1, 4, 5, 8. A closed cycle is carried out in two sub-cycles, each of which has two working cycles: 1 - "working stroke - compression - heating", 2 - "exhaust - cooling - inlet", and the "working stroke" and "exhaust" cycles are in power cylinder 35, “inlet” and “compression” in displacement 22, and “heating” and “cooling” in heat converters 1, 4, 5, 8.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

В двигателе объем рабочего газа разделен на две порции: первая находится в камере 20 вытеснительного цилиндра 22, вторая - в одной из газовых магистралей 2,3, причем в газовых магистралях газ нагрет и находится под большим давлением. In the engine, the volume of the working gas is divided into two portions: the first is in the chamber 20 of the displacement cylinder 22, the second is in one of the gas lines 2,3, and in the gas lines the gas is heated and is under high pressure.

Такт I - "рабочий ход - сжатие - нагрев" - первый подцикл, проходят одновременно в разных цилиндрах и тепловых преобразователях. "Рабочий ход" начинается с того, что газораспределительный механизм посредством кулачков на распределительном валу 38 открывает клапан 40 (допустим, что газ находится в магистрали 2). Газ из газовой магистрали 2 под большим давлением перемещается в герметичную камеру 37 силового цилиндра 35 и раздувает ее, нагрузка от стенок камеры 37 передается жидкости 33 и далее на стенки цилиндра 35 и поршень 32. Но т.к. стенки цилиндра неподвижны, то вынужден переместиться поршень 32 к нижней мертвой точке. Стенки герметичной камеры 37 выполняют только функцию разделения сред. При увеличении объема камеры 37 в силовом цилиндре 35 в вытеснительном цилиндре 22 происходит уменьшение объема камеры 20 посредством сжимания поршнем 24 жидкости 23 от усилия коленчатого вала 27, тем самым происходит "сжатие" газа, находящегося в камере 20, и газ через клапан 9 вытесняется в магистраль 3, проходит регенератор и нагреватель ("нагрев") и там остается, т.к. с обеих сторон магистраль 3 закрыта клапанами 1 и 9, при этом давление газа значительно повышается из-за его нагрева. Step I - "stroke - compression - heating" - the first subcycle, pass simultaneously in different cylinders and heat converters. The "stroke" begins with the fact that the gas distribution mechanism by means of cams on the camshaft 38 opens the valve 40 (suppose that the gas is in line 2). Gas from the gas line 2 under high pressure moves into the airtight chamber 37 of the power cylinder 35 and inflates it, the load from the walls of the chamber 37 is transferred to the fluid 33 and then to the walls of the cylinder 35 and the piston 32. But since the cylinder walls are stationary, then the piston 32 is forced to move to the bottom dead center. The walls of the sealed chamber 37 perform only the function of separation of media. With an increase in the volume of the chamber 37 in the power cylinder 35 in the displacement cylinder 22, the volume of the chamber 20 decreases by compressing the fluid 23 by the piston 24 from the force of the crankshaft 27, thereby compressing the gas in the chamber 20, and the gas is displaced through the valve 9 into highway 3, passes the regenerator and heater ("heating") and remains there, because on both sides of the highway 3 is closed by valves 1 and 9, while the gas pressure increases significantly due to its heating.

Такт II - "выпуск - охлаждение - впуск", также проходят одновременно в разных цилиндрах при возвратном движении поршней и в тепловом преобразователе: выдавливаемый горячий газ из силового цилиндра 35 ("выпуск") по магистрали 2 через открытые клапаны 40, 11, перетекает в увеличивающуюся камеру 20 вытеснительного цилиндра 22 ("впуск"), при этом газ отдает тепло в регенераторе и холодильнике ("охлаждение") и холодным впускается в вытеснительный цилиндр 22. Step II - "exhaust - cooling - inlet" also takes place simultaneously in different cylinders during the return movement of the pistons and in the heat converter: the hot gas that is squeezed out of the power cylinder 35 ("exhaust") along line 2 through open valves 40, 11 flows into the enlarging chamber 20 of the displacement cylinder 22 ("inlet"), while the gas gives off heat in the regenerator and the refrigerator ("cooling") and is cold inlet into the displacement cylinder 22.

Такт I - "рабочий ход - нагрев - сжатие" - второй подцикл. Происходит тот же процесс, как и описанный выше в "такте I первого подцикла", за исключением того, что газ поступает в герметичную камеру 37 силового цилиндра 35 из магистрали 3 через клапан 41, а сжимаемый газ из камеры 20 поступает в газовую магистраль 2 через клапан 11. Step I - "stroke - heating - compression" - the second subcycle. The same process occurs as described above in “cycle I of the first sub-cycle”, except that the gas enters the sealed chamber 37 of the power cylinder 35 from the line 3 through the valve 41, and the compressible gas from the chamber 20 enters the gas line 2 through valve 11.

Такт II - "выпуск - охлаждение - впуск" - второй подцикл. Происходит тот же процесс, как и описанный выше в "такте II", за исключением того, что газ перетекает из герметичной камеры 37 силового цилиндра 35 в герметичную камеру 20 вытеснительного цилиндра 22 по магистрали 3 через клапаны 41, 9. Step II - "exhaust - cooling - inlet" - the second subcycle. The same process occurs as described above in "step II", except that the gas flows from the sealed chamber 37 of the power cylinder 35 into the sealed chamber 20 of the displacement cylinder 22 through line 3 through valves 41, 9.

Такая схема перемещения газа позволяет иметь двухтактный рабочий цикл, увеличить время на нагрев газа - пока газ из одной магистрали совершает работу, в другой магистрали происходит его нагрев. Выдавливаемый в герметичную камеру вытеснительного цилиндра газ, а также движущийся в обратном направлении, проходят через все тепловые преобразователи, что позволит снизить тепловые потери. This scheme of gas movement allows you to have a push-pull duty cycle, increase the time for heating the gas - while gas from one line does work, it is heated in the other line. The gas squeezed into the sealed chamber of the displacement cylinder, as well as moving in the opposite direction, pass through all the heat converters, which will reduce heat loss.

Синхронизирует ход поршней в цилиндрах коленчатый вал 27 (хотя эта схема работы позволяет иметь любой известный преобразователь движения). Благодаря контакту заполненных теплоносителем рубашек цилиндров 35, 22 с тепловыми преобразователями 1,8 посредством тепловых труб 6, 7 температуру рабочей жидкости 23, 33 в цилиндрах возможно приблизить к температуре в тепловых преобразователях, что позволит получить лучшую разность температур и тем самым иметь на выходе большую мощность. Для уменьшения распространения тепла в окружающее пространство предусмотрена тепловая изоляция цилиндров и поршней 32, 34. Регулировка скорости вращения и мощности осуществляется регулированием количества рабочего газа в магистралях 2,3 из цилиндра управления 15 с герметичной камерой 13, находящейся в жидкости 14, посредством поршня управления 18, от педали 16 через усилитель 17, который может быть вакуумным, электрическим, механическим, гидравлическим, пневматическим или комбинированным. Поддержание минимального давления в газовых магистралях происходит из емкости 21 посредством газового редуктора 19 или реверсивным компрессором с датчиком давления (не показано). Рабочей жидкостью 33 может быть, например, сплав легкоплавких металлов (K+Na), имеющий удовлетворяющие характеристики, или др. Рабочим газом может быть водород, гелий, воздух, пары ртути, пары воды и другие газы или жидкости. Изолированная камера может быть просто газовым цилиндром с поршнем, но с целью герметизации рабочего газового контура в гидроцилиндре может быть оборудована специальная герметичная камера, способная изменять объем, которая может иметь форму гофры 37, 20 (фиг.1), пакета, шара, гармошки, сильфона и др. и изготовляться как из упругих листов металла, так и из любого материала, подходящего по своим свойствам для этой цели, в холодном цилиндре возможно применение герметичной камеры даже из эластичного материала. В данном случае прочность материала изолированной камеры особого значения не имеет, она служит только для разграничения жидкой и газовой сред (в некоторых случаях и для передачи тепла рабочему газу), а сила давления в ней газов сдерживается стенками гидроцилиндров, которые могут выдержать любое разумное давление. The crankshaft 27 synchronizes the stroke of the pistons in the cylinders (although this work scheme allows you to have any known motion converter). Due to the contact of the shirts of the cylinders 35, 22 filled with the coolant with the heat converters 1.8 by means of the heat pipes 6, 7, the temperature of the working fluid 23, 33 in the cylinders can be brought closer to the temperature in the heat converters, which will allow to obtain a better temperature difference and thereby have a large output power. To reduce the spread of heat into the surrounding space, thermal isolation of the cylinders and pistons 32, 34 is provided. The rotation speed and power are controlled by adjusting the amount of working gas in the lines 2.3 from the control cylinder 15 with an airtight chamber 13 located in the liquid 14, by means of the control piston 18 , from the pedal 16 through the amplifier 17, which may be vacuum, electric, mechanical, hydraulic, pneumatic or combined. Maintaining minimum pressure in the gas lines occurs from the tank 21 by means of a gas reducer 19 or a reversible compressor with a pressure sensor (not shown). The working fluid 33 may be, for example, an alloy of fusible metals (K + Na) having satisfactory characteristics, or other. The working gas may be hydrogen, helium, air, mercury vapor, water vapor, and other gases or liquids. The insulated chamber can be just a gas cylinder with a piston, but in order to seal the working gas circuit in the hydraulic cylinder, a special sealed chamber can be equipped that can change the volume, which can take the form of a corrugation 37, 20 (Fig. 1), a package, a ball, an accordion, bellows, etc., and made of both elastic sheets of metal and any material suitable for its properties for this purpose, it is possible to use a sealed chamber in a cold cylinder even from an elastic material. In this case, the strength of the material of the insulated chamber is not of special importance, it serves only to distinguish between liquid and gas media (in some cases, to transfer heat to the working gas), and the pressure force in it of gases is constrained by the walls of hydraulic cylinders that can withstand any reasonable pressure.

Соединение преобразователя движения с силовыми и вытеснительными цилиндрами, кроме жесткой и гидравлической связи, может быть также осуществлено и посредством гибкой связи, например тягами, ремнями, тросами, цепями и т.п., или комбинированной связью. The connection of the motion converter with the power and displacement cylinders, in addition to rigid and hydraulic coupling, can also be carried out by means of a flexible coupling, for example, rods, belts, cables, chains, etc., or a combined coupling.

Применение двигателя Стирлинга с изолированными камерами, например, в судовых силовых установках с заменой жесткой трансмиссии на гибкую позволит устанавливать ее на любом разумном расстоянии от движителя, выгодно используя для других целей вес и место, ранее занимаемое жесткой трансмиссией (валопроводом), повысить живучесть в неблагоприятных условиях, например, при деформациях корпуса, снизить стоимость пропульсивного комплекса. Применение герметичных изолированных камер позволит упростить производство, отказаться от смазки стенок цилиндров, снизить потери на трение. Применение тепловой стабилизации рабочей жидкости в силовом и вытеснительном цилиндрах посредством тепловых труб позволит улучшить термодинамические показатели, повысить кпд. Для лучшей передачи тепла от термостабилизированных рубашек цилиндров через рабочую жидкость к рабочему газу внутри герметичной камеры можно использовать теплопередающие вставки, установленные между гофрами герметичной камеры, которые вынесены как вовнутрь, так и наружу. Двигатель Стирлинга такой конструкции может иметь несколько силовых и вытеснительных цилиндров, устанавливаемых как рядно, так и V-, W-, Х-образно или оппозитно, и, возможно, скомпонованных в отдельные блоки - силовой и вытеснительный, закрытые теплоизоляционным материалом и соединяющиеся через тепловой преобразователь. The use of a Stirling engine with isolated cameras, for example, in marine power plants with the replacement of a rigid transmission by a flexible one, will allow it to be installed at any reasonable distance from the propulsion device, making advantageous use of the weight and place previously occupied by the rigid transmission (shaft drive) for other purposes, and increase survivability in adverse conditions, for example, in case of deformations of the body, reduce the cost of the propulsive complex. The use of sealed insulated chambers will simplify production, abandon the lubrication of cylinder walls, and reduce friction losses. The use of thermal stabilization of the working fluid in the power and displacement cylinders by means of heat pipes will improve the thermodynamic parameters and increase the efficiency. For better heat transfer from thermostabilized cylinder shirts through the working fluid to the working gas inside the sealed chamber, heat transfer inserts installed between the corrugations of the sealed chamber, which are carried out both inside and out, can be used. A Stirling engine of this design can have several power and displacement cylinders installed both in series and V-, W-, X-shaped or opposed, and possibly arranged in separate blocks - power and displacement, closed by a heat-insulating material and connected via heat converter.

Представленная конструкция двигателя Стирлинга во многом сходна с конструкцией традиционных двигателей внутреннего сгорания и отличается, в основном, только головкой блока цилиндров, что значительно удешевит разработку такого двигателя. The presented design of the Stirling engine is largely similar to the design of traditional internal combustion engines and differs mainly only in the cylinder head, which will significantly reduce the cost of developing such an engine.

Гидроцилиндры силового и вытеснительного блоков могут быть соединены между собой гидравлической связью (трансмиссией), проходящей через гидравлический преобразователь движения, а их количество можно увеличить до достаточности. В этом случае (фиг.2) горячая жидкость 33 в силовом цилиндре 35 может быть отделена от холодной 64, посредством теплового фильтра 32, представляющего собой свободный теплоизоляционный поршень 62. Преобразователь движения 52 в данном случае целесообразнее выполнить роторным (хотя возможны и другие варианты), а управление потоками жидкости выполнить посредством управляемых электроклапанов, которые могут также исполнять роль дросселей и управляться по программе блока управления (не показан), позволяющей посредством включения тех или иных электроклапанов осуществлять аналогичный двухтактный рабочий цикл. The hydraulic cylinders of the power and displacement units can be interconnected by a hydraulic link (transmission) passing through a hydraulic motion converter, and their number can be increased to sufficient. In this case (Fig. 2), the hot liquid 33 in the power cylinder 35 can be separated from the cold 64 by means of a heat filter 32, which is a free heat-insulating piston 62. In this case, the motion converter 52 is more expedient to be made rotary (although other options are possible) and control of fluid flows is carried out by means of controlled electrovalves, which can also play the role of throttles and can be controlled by a program of a control unit (not shown), which allows switching on one or another electric valves perform the same two-stroke working cycle.

Указанный двигатель работает как и вышеописанный, при этом давление от поршня 32 (являющегося тепловым фильтром) в силовом цилиндре 35 передается жидкости в подпоршневом пространстве 64 и далее по трубопроводу 61, через электроклапан 59 жидкость попадает в силовой сегмент 57 преобразователя 52 и давит на ротор 55, заставляя его катиться по внутренней поверхности статора 52 против стрелки "е", а кривошип 56 и силовой вал 53 по стрелке "е" (перед тем как попасть в преобразователь движения 52 или в цилиндры жидкость проходит, при необходимости, через радиатор охлаждения 62). Вытесняемая жидкость из сегмента 51 через клапан 48 попадает в вытеснительный цилиндр 22 и поднимет поршень 24 к верхней мертвой точке. Обратное движение поршней в цилиндрах происходит за счет инерции маховика (не показан) и открытия электроклапанов 47, 60, которые получают команду на открытие от блока управления (не показан), который в свою очередь получает сигнал о достижении поршнями мертвых точек от датчиков 44, 63, 68 при надавливании поршнями их штоков 43, 64, 67. Управление клапанами газовых магистралей, ввиду отсутствия распределительного вала (впрочем, он может присутствовать) также осуществляется электрически (возможен также отбор мощности на привод клапанов от давления жидкости в гидросистеме). Регулирование скоростью и/или мощностью происходит посредством дросселей 45, которые изменяют внутреннее сечение гидромагистралей 46, 61. Подвижная пластина 50 разделяет сегменты статора на вытеснительный и силовой. Впрочем, механизм преобразования движения может быть любым, как содержащим цилиндрический статор, по крайней мере, с одной разделительной пластиной, внутри которого соосно расположен цилиндрический ротор, по крайней мере, с одним кулачком, так и выполненным в виде роторно-эпитрохоидального механизма Ванкеля, или любого другого. The specified engine operates as described above, while the pressure from the piston 32 (which is a heat filter) in the power cylinder 35 is transmitted to the liquid in the sub-piston space 64 and then through the pipe 61, through the solenoid valve 59 the liquid enters the power segment 57 of the converter 52 and presses on the rotor 55 , forcing it to roll along the inner surface of the stator 52 against the arrow "e", and the crank 56 and the power shaft 53 along the arrow "e" (before entering the motion transducer 52 or into the cylinders, the fluid passes, if necessary, through the radiator op cooling 62). The displaced fluid from the segment 51 through the valve 48 enters the displacement cylinder 22 and raises the piston 24 to the top dead center. The reverse movement of the pistons in the cylinders occurs due to the inertia of the flywheel (not shown) and the opening of the electrovalves 47, 60, which receive a command to open from the control unit (not shown), which in turn receives a signal that the pistons have reached dead points from sensors 44, 63 , 68 when pressing the pistons of their rods 43, 64, 67. The control of the valves of the gas lines, due to the lack of a camshaft (however, it can be present) is also carried out electrically (it is also possible to take power to the valve actuator from the pressure fluids in the hydraulic system). Regulation of speed and / or power takes place by means of chokes 45, which change the internal section of hydraulic lines 46, 61. The movable plate 50 divides the stator segments into displacement and power. However, the motion conversion mechanism can be any one, including a cylindrical stator, with at least one dividing plate, inside which a cylindrical rotor with at least one cam is coaxially arranged, and made in the form of a Wankel rotor-epitrochoidal mechanism, or any other.

Управление скоростью вращения можно также осуществлять посредством добавления или уменьшения рабочего газа из цилиндра управления 15, так же как в двигателе, описанном выше. Компенсация возможных утечек (диффундирования) рабочего газа из магистралей 2, 3 осуществляется из баллона 21 посредством газового редуктора 19, который при снижении давления в магистралях 2, 3 пополняет необходимое количество газа (при полностью отжатой педали управления 16). Реверсирование двигателя осуществляется переключением клапанов 46, 48, 59, 60. Управление клапанами можно также осуществить и механически от распределительных кулачков на силовом или распределительном валу. The rotation speed control can also be carried out by adding or decreasing the working gas from the control cylinder 15, as well as in the engine described above. Compensation of possible leaks (diffusion) of the working gas from the lines 2, 3 is carried out from the cylinder 21 by means of a gas reducer 19, which, when the pressure in the lines 2, 3 decreases, replenishes the required amount of gas (with the fully depressed control pedal 16). The engine is reversed by switching the valves 46, 48, 59, 60. The valves can also be controlled mechanically from the distribution cams on the power or camshaft.

При применении в качестве рабочего газа атмосферного воздуха цикл вышеприведенного двигателя может быть открытым. При этом не понадобится холодильник, а вытеснительный цилиндр можно заменить компрессором любого типа. When using atmospheric air as a working gas, the cycle of the above engine may be open. You do not need a refrigerator, and the displacement cylinder can be replaced with any type of compressor.

Таким образом, представленный двигатель Стирлинга позволит существенно снизить потери и увеличить давление рабочего газа, полностью исключить загрязнение теплообменников смазочными и другими материалами, иметь постоянную температуру рабочих цилиндров, применять любой механизм преобразования движения (преобразователь движения), увеличить амортизационный срок, улучшить эксплуатационные параметры, иметь двухтактный рабочий цикл без уменьшения мощности, снизить весогабаритные показатели на единицу мощности, увеличить время на нагрев рабочего газа, использовать маломощные нагреватели, экономить топливо, поддерживать в цилиндрах температуру без перепадов такую же, как и в тепловых преобразователях, осуществлять нагрев и охлаждение газа в цилиндрах, снимать большую мощность и иметь более равномерный крутящий момент, улучшить экологические показатели, увеличить скорость вращения, использовать с минимальными изменениями конструкции двигатели внутреннего сгорания. Thus, the presented Stirling engine will significantly reduce losses and increase the pressure of the working gas, completely eliminate the contamination of heat exchangers with lubricants and other materials, have a constant temperature of the working cylinders, use any movement conversion mechanism (motion converter), increase the amortization period, improve operational parameters, have push-pull duty cycle without reducing power, reduce weight and size per unit of power, increase heating time working gas, use low-power heaters, save fuel, keep the temperature in the cylinders without changes the same as in heat converters, heat and cool the gas in the cylinders, remove more power and have more uniform torque, improve environmental performance, increase rotation speed , use with minimal design changes internal combustion engines.

Изложенные выше конструкции двигателя Стирлинга с герметичными камерами не исчерпывают всех вариантов, а являются лишь их иллюстрацией. На практике могут быть использованы и другие варианты без нарушения основной идеи технического решения. The above-described designs of the Stirling engine with sealed cameras do not exhaust all the options, but are only an illustration of them. In practice, other options can be used without violating the basic idea of a technical solution.

Claims

1. An engine with an external supply of heat, comprising at least a displacement and power cylinders with hermetic chambers, connected by a line passing through heat converters, a movement conversion mechanism, characterized in that the sealed chambers in the displacement and power cylinders are interconnected, at least two highways equipped with a gas distribution mechanism that allows to let hot gas into the sealed chamber of the power cylinder from the gas mains in turn, and the seals themselves Meth chamber are made in a form capable to modify its volume (e.g., in the form of corrugations, welded from flat rings and equipped donyami, bellows, bag, bellows or elastic material), fitted into fluid-filled cylinders and act on the motion converting drive mechanism.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the control of gas distribution mechanisms is performed by an electric, pneumatic, hydraulic, mechanical or combined mechanism.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the kinematic connection with the motion converter is made either in the form of a rigid connection — a pusher, a rod or a rigid rod, or hydraulic or flexible — a cable, rope, chain, cord, tape, belt, flexible pusher, or combined.

4. The engine according to claim 3, characterized in that the movement conversion mechanism is made in the form of a rotary converter with hydraulic connection with the cylinders.

5. The engine according to claim 4, characterized in that the rotary movement conversion mechanism comprises a cylindrical stator with at least one dividing plate, inside which a cylindrical rotor with at least one cam coaxially rotates by means of fluid pressure .

6. The engine according to claim 4, characterized in that the rotor is cylindrical, mounted on the crank of the power shaft and rolls along the inner cylindrical surface of the stator.

7. The engine according to claim 3, characterized in that the movement conversion mechanism is made in the form of a crank mechanism.

8. An engine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the rate of change in the volume of the sealed chamber is controlled either by adjusting the amount of working gas in the gas line, or by changing the passage of the gas lines, or by changing the passage of the hydraulic lines, or in a combined way.

9. The engine according to claim 1, characterized in that the pistons and cylinders are equipped with thermal insulation.

10. The engine according to claim 1, characterized in that the shirts of the power and displacement cylinders are filled with coolant and connected via heat transfer connection, for example, in the form of heat pipes, to heaters and refrigerators of heat converters, respectively.

11. The engine according to claim 1, characterized in that the cylinders are washed with coolant.

12. The engine according to claim 3, characterized in that heat filters are installed in the cylinders or in the hydraulic lines of the transmission in the form of a free heat-insulated piston separating hot and cold volumes of liquid.

13. The engine according to claim 3, characterized in that the hydraulic lines are equipped with radiators (refrigerators).

14. The engine according to claim 1, characterized in that the increase in speed and / or power is carried out by displacing the gas from the control cylinder with a sealed chamber by means of a control piston.

15. The engine according to claim 1, characterized in that the control piston is driven by an amplifier, for example, pneumatic, vacuum, hydraulic, electrical, mechanical or combined.

16. The engine according to claim 1, characterized in that the minimum pressure in the gas line is maintained by means of a gas reducer from a gas cylinder.

17. The engine according to claim 1, characterized in that the duty cycle is open.

18. The engine according to claim 1, characterized in that between the corrugation disks of the sealed chamber heat-conducting elements (plates) are inserted having areas outside and inside the sealed chamber.