RU2243397C2

RU2243397C2 - External combustion engine

Info

Publication number: RU2243397C2
Application number: RU2002128024/06A
Authority: RU
Inventors: В.В. Кутузов (RU); В.В. Кутузов
Original assignee: Кутузов Василий Васильевич
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2004-12-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines.

SUBSTANCE: external combustion engine contains housing with fitted-on front and rear covers. Housing accommodates rotor with blades. High-pressure spaces of working medium (gas) are in constant communication with compression and expansion chambers connected, according to working cycle, with cooler and heater. According to invention, rotor is arranged between side partitions provided with ports, one of which is in constant communication with heating space, and the other is in constant communication with cooling space. Constant volume chambers to transfer working medium are made between stepped blades of rotor. Heater is connected with rear cover of housing, and cooler, with front cover.

EFFECT: simplified design, improved specific characteristics.

4 dwg

Description

Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания, предназначенным для преобразования тепловой энергии в механическую работу и может найти широкое применение на транспортных средствах и в большой энергетике, используя горячие источники, а также отходящее тепло тепловых электростанций.The invention relates to external combustion engines designed to convert thermal energy into mechanical work and can be widely used in vehicles and in large energy, using hot springs, as well as waste heat from thermal power plants.

Известные двигатели внешнего сгорания, предназначенные для выше указанных целей, это двигатель внешнего сгорания, описанный в журнале №2 “Техника молодежи” за 1996 год, с.2, который является наиболее близким по своей сущности, содержащий корпус, размещенный в нем ротор, совершающий качение, где имеются камеры сжатия и расширения, охладитель, регенератор, нагреватель, соединенные согласно рабочему циклу.Known external combustion engines designed for the above purposes, this is an external combustion engine described in the journal No. 2 "Youth Technology" for 1996, p.2, which is the closest in essence, containing a housing placed in it a rotor, making rolling, where there are compression and expansion chambers, cooler, regenerator, heater, connected according to the duty cycle.

Недостатками вышеуказанного двигателя внешнего сгорания является сложный в целом по устройству и повышенные габариты.The disadvantages of the above external combustion engine is complex as a whole on the device and increased dimensions.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, т.е. резко упростить конструкцию в целом двигателя внешнего сгорания, резко снизить в целом габариты двигателя внешнего сгорания.The objective of the present invention is to remedy the above disadvantages, i.e. dramatically simplify the design of the whole external combustion engine, sharply reduce the overall dimensions of the external combustion engine.

Поставленная задача достигается за счет того, что во внутренней полости распределительного кольца с боковой рабочей камерой, последняя постоянно через окна в боковых перегородках сообщается с нагревательной полостью и охлаждающей полостью высокого давления рабочего тела - газа, где по свободной посадке размещен ротор, жестко связанный с валом отбора мощности с четырьмя ступенчатыми лопастями, а между каждыми двумя ступенчатыми лопастями в роторе сделана камера постоянного объема переноса холодного, рабочего тела - газа в нагревательную полость согласно рабочего цикла.The task is achieved due to the fact that in the inner cavity of the distribution ring with the side working chamber, the latter is constantly connected through the windows in the side walls with the heating cavity and the cooling cavity of the high pressure of the working fluid - gas, where the rotor is rigidly connected to the shaft a power take-off with four step blades, and between each two step blades in the rotor a chamber of constant volume of transfer of cold, working fluid - gas to the heater w cavity according to the working cycle.

Данная компановка двигателя внешнего сгорания обеспечивает технический и экономический положительный эффект за счет резкого упрощения в целом конструкции двигателя по сравнению с существующими поршневыми аналогами и роторного аналога, описанного в журнале “Техника молодежи”. В новом двигателе внешнего сгорания резко снижается количество деталей, резко также упрощается форма деталей, а также обеспечивается постоянство крутящего момента, что существенно влияет на уменьшение габарита в целом. Учитывая то, что все главные детали имеют строго цилиндрическую форму и малые габариты, это дает возможность делать достаточно высокое давление рабочего тела - газа, что существенно даст возможность меньше расходовать топлива при достаточной мощности в целом. Благодаря своей простоте конструкции, новый двигатель внешнего сгорания легко может конкурировать с существующими двигателями внутреннего сгорания не только экономически, но и самое серьезное на данный момент времени и экологически. Экологичность нового двигателя внешнего сгорания существенно будет намного лучше по тому, что в топливо не будет попадать масло, а также не надо в бензин добавлять антидетонаторы всех видов, что существенно сделает новый двигатель экологичнее.This arrangement of the external combustion engine provides a technical and economic positive effect due to a sharp simplification of the overall design of the engine compared to existing piston counterparts and the rotary counterpart described in the journal "Youth Technology". In the new external combustion engine, the number of parts is sharply reduced, the shape of the parts is also greatly simplified, and torque is maintained constant, which significantly affects the overall size reduction. Given that all the main parts are strictly cylindrical and small in size, this makes it possible to make a sufficiently high pressure of the working fluid — gas, which will significantly make it possible to consume less fuel with sufficient power in general. Due to its simplicity of design, the new external combustion engine can easily compete with existing internal combustion engines, not only economically, but also the most serious at the moment and environmentally. The environmental friendliness of the new external combustion engine will be much better because oil will not get into the fuel, and it is not necessary to add all types of antiknock agents to gasoline, which will significantly make the new engine more environmentally friendly.

Описание устройства и работы двигателя внешнего сгорания показана на фиг.1, 2, 3, 4.A description of the device and operation of the external combustion engine is shown in figures 1, 2, 3, 4.

На чертежах представлены.The drawings are presented.

Фиг.1. - Продольный разрез двигателя внешнего сгорания.Figure 1. - A longitudinal section of an external combustion engine.

Фиг.2. - Разрез А-А двигателя внешнего сгорания.Figure 2. - Section AA of an external combustion engine.

Фиг.3. - Вид сбоку ротора со ступенчатыми лопастями и боковыми уплотнениями.Figure 3. - Side view of the rotor with stepped blades and side seals.

Фиг.4 - Разрез В-В ротора в сборе.Figure 4 - Section bb rotor assembly.

Двигатель внешнего сгорания состоит из следующих узлов и деталей, это корпуса 1, где по свободной посадке установлено распределительное кольцо 2, имеющее боковую рабочую камеру 3. Камера 3 постоянно сообщается в верхней части с окном 4, расположенным в перегородке 5, а в нижней части с окном 6 в перегородке 7. Верхнее окно 4 в боковой перегородке 5 постоянно сообщается с полостью 8, заполненной рабочим телом - газом на расчетное давление. Рабочее тело - газ в полости 8 при работе постоянно нагревается через нагреватель 9, жестко связанный с задней крышкой 10. Нижнее окно 6 в перегородке 7 постоянно сообщается с полостью 11, заполненной рабочим телом - газом на расчетное давление. Рабочее тело - газ при работе постоянно охлаждается через охладитель 12. Со стороны нагревательной полости 8 в перегородке 5 имеется теплоизоляция 13, а со стороны охлаждающей полости 11 в перегородке 7 имеется теплоизоляция 14. Охладитель 12 жестко связан с передней крышкой 15. Торцы корпуса 1 и передняя крышка 15 и задняя крышка 10 уплотняются кольцами 16. Передняя крышка 15 и задняя крышка 10 крепятся к корпусу 1 болтами 17. Во внутренней полости распределительного кольца 2 и между перегородками 5 и 7 по свободной посадке размещен ротор 18 с четырьмя ступенчатыми лопастями 19, установленными свободно в пазах последнего. Между каждых двух ступенчатых лопастей 19 в роторе 18 сделаны камеры 20 постоянного объема для переноса охлажденного рабочего тела - газа в нагревательную полость 8. Ротор 18 жестко связан с валом 21 отбора мощности с помощью шпонки 22. С боков ступенчатых лопастей 19 имеются сообщающиеся канавки 23, а рабочий торец имеет радиус для того, чтобы торцевое давление с двух сторон уравновешивалось и таким образом на износ будут влиять только прижимные силы пружин 24 и инерционные силы. Эти силы можно контролировать и таким образом, при хорошей смазке, торцы лопастей 19 могут работать очень долго без износа. Жидкая смазка заливается расчетное количество в полости 8 и 11, что гарантировано обеспечит надежную смазку всем трущимся деталям двигателя внешнего сгорания. Вал 21 отбора мощности опирается на подшипниках 25, размещенных в расточке задней крышки 10 и в расточке передней крышки 15 во втулке 26. На выходном конце вала 21 отбора мощности установлены неподвижно кольцо 27, распорная втулка 28, кольцо 29 с уплотнительным кольцом 30 и закрепленные гайкой 31. В центральной расточке передней крышки 15 неподвижно установлены кольцо 32, распорная втулка 33, кольцо 34 с уплотнительным кольцом 35. Между кольцами 32 и 34 неподвижно установлена уплотнительная манжета 36, крылья которой перекрывают сразу два зазора между вращающимися кольцами 27 и 29 и между неподвижными кольцами 32 и 34, что обеспечит надежное уплотнение в статическом и динамическом состоянии. Манжету 36 необходимо делать из фторопласта, он обладает малым трением и выдерживает высокие температуры до 250°C. Особое внимание необходимо уделить боковому уплотнению ротора 18, где рядом с каждой ступенчатой лопастью 19 выполнен шпоночный глубокий паз, а в пазах размещены по свободной посадке сначала пластинчатые пружины 37 и фторопластовые или из другого материала шпонки 38 по свободной посадке. Боковое уплотнение ступенчатых лопастей 19 делается также как в роторе 19, см. фиг.3 и 4. Таким способом обеспечивается достаточно надежное и долговечное уплотнение. Учитывая то, что будет в наличии хорошая смазка, достаточно малые температуры будут действовать на детали двигателя и еще отсутствие всяких нагаров в масле, то долговечность нового двигателя внешнего сгорания будет намного больше, чем у существующих двигателей внутреннего сгорания.The external combustion engine consists of the following components and parts, this is housing 1, where the distribution ring 2 having a lateral working chamber 3 is installed for free landing. The chamber 3 is constantly in communication in the upper part with the window 4 located in the partition 5, and in the lower part with window 6 in the partition 7. The upper window 4 in the side partition 5 is constantly in communication with the cavity 8, filled with a working fluid - gas to the design pressure. The working fluid - the gas in the cavity 8 is constantly heated during operation through the heater 9, rigidly connected to the back cover 10. The bottom window 6 in the partition 7 is constantly in communication with the cavity 11 filled with the working fluid - gas at the design pressure. The working fluid - the gas during operation is constantly cooled through the cooler 12. On the side of the heating cavity 8 in the partition 5 there is insulation 13, and on the side of the cooling cavity 11 in the partition 7 there is insulation 14. The cooler 12 is rigidly connected to the front cover 15. The ends of the housing 1 and the front cover 15 and the back cover 10 are sealed with rings 16. The front cover 15 and the back cover 10 are attached to the housing 1 by bolts 17. In the inner cavity of the distribution ring 2 and between the partitions 5 and 7, a rotor 18 with four stupas is placed grooved blades 19 mounted freely in the grooves of the latter. Between each two step blades 19 in the rotor 18 are made chambers 20 of constant volume for transferring the cooled working fluid gas to the heating cavity 8. The rotor 18 is rigidly connected to the power take-off shaft 21 using a key 22. There are communicating grooves 23 on the sides of the step blades 19, and the working end has a radius so that the end pressure on both sides is balanced and thus only the clamping forces of the springs 24 and the inertial forces will affect the wear. These forces can be controlled and thus, with good lubrication, the ends of the blades 19 can work for a very long time without wear. Liquid lubricant is poured into the calculated amount in the cavity 8 and 11, which is guaranteed to provide reliable lubrication to all rubbing parts of the external combustion engine. The power take-off shaft 21 is supported by bearings 25 located in the bore of the rear cover 10 and in the bore of the front cover 15 in the sleeve 26. At the output end of the power take-off shaft 21, the ring 27, the spacer sleeve 28, the ring 29 with the sealing ring 30 and fixed with a nut are fixed 31. In the central bore of the front cover 15, the ring 32, the spacer sleeve 33, the ring 34 with the sealing ring 35 are fixedly mounted. Between the rings 32 and 34, the sealing lip 36 is fixedly mounted, the wings of which overlap two gaps between the having rings 27 and 29 and between the stationary rings 32 and 34, which will provide reliable sealing in a static and dynamic state. The cuff 36 must be made of fluoroplastic, it has low friction and can withstand high temperatures up to 250 ° C. Particular attention should be paid to the side seal of the rotor 18, where a keyway deep groove is made next to each stepped blade 19, and in the grooves there are firstly placed leaf springs 37 and fluoroplastic springs or from other material of the keyway 38 for free-landing. The lateral sealing of the stepped blades 19 is also done as in the rotor 19, see FIGS. 3 and 4. In this way, a sufficiently reliable and durable seal is provided. Given that good lubrication will be available, sufficiently low temperatures will affect the engine parts and the absence of any deposits in the oil, the durability of the new external combustion engine will be much greater than that of existing internal combustion engines.

Работа двигателя внешнего сгорания, см. фиг.1, 2, 3 и 4.The operation of the external combustion engine, see figure 1, 2, 3 and 4.

Для нормальной работы двигателя внешнего сгорания необходимо заполнить нагревательную полость 8 и охладительную полость 11 сжатым газом на расчетное давление и в эти же полости залить жидкую смазку расчетное количество, после чего подвести холодную воду или другую жидкость в охладитель 12, обеспечив ее циркуляцию при работе. Затем обеспечить подвод горячей воды или пара в нагреватель 9. В данный момент времени в нагревательной полости 8 рабочее тело - газ быстро нагревается и давление резко возрастает, а в охлаждающей полости 12 рабочее тело - газ охлаждается, в результате резкого повышения давления рабочего тела - газа в рабочей камере 3 распределительного кольца 2, смотрите фиг.2 рабочее тело - газ с большим усилием давит на одну из выдвинутых четырех ступенчатых лопастей 19 в рабочей камере 3 распределительного кольца 2 и таким образом заставляет повернуться ротор 18 на угол 90° и больше, а затем выдвигается вторая последующая ступенчатая лопасть 19 совместно с камерой 20 в роторе 18, где имеется охлажденное рабочее тело - газ. В данный момент времени охлажденный газ быстро нагревается в нагревательной полости 8 через окно 4 в перегородке 5 и расширяясь давит на вторую ступенчатую лопасть 19, заставляя еще повернуться ротор 18 на 90° и больше, а первая лопасть в данный момент плавно перед собой сжимает расчетную порцию рабочего тела - газа и через окно 6 в перегородке 7 соединяет с охладительной полостью 11, где рабочее тело - газ быстро охлаждается в камере 20 и опять охлажденным возвращается в нагревательную полость 8, таким образом циклы один за другим повторяются попеременно, что заставляет вращаться ротор 18 с большой скоростью за счет перепада давления в нагревательной полости 8 и охладительной полости 11. Величина перепада давления зависит от разности перепада температуры в нагревательной полости 8 и охладительной полости 11.For normal operation of the external combustion engine, it is necessary to fill the heating cavity 8 and the cooling cavity 11 with compressed gas at the design pressure and pour the estimated amount of liquid lubricant into the same cavities, then bring cold water or other liquid into the cooler 12, ensuring its circulation during operation. Then provide hot water or steam to the heater 9. At this point in time, in the heating cavity 8, the working fluid - gas quickly heats up and the pressure rises sharply, and in the cooling cavity 12 the working fluid - gas cools, as a result of a sharp increase in the pressure of the working fluid - gas in the working chamber 3 of the distribution ring 2, see FIG. 2, the working fluid — gas presses with great effort on one of the four extended four-stage blades 19 in the working chamber 3 of the distribution ring 2 and thus makes the rotor rotate 18 by an angle of 90 ° or more, and then the second subsequent stepwise blade 19 is advanced together with the chamber 20 in the rotor 18, where there is a cooled working fluid - gas. At this point in time, the cooled gas quickly heats up in the heating cavity 8 through the window 4 in the partition 5 and expands against the second step blade 19, forcing the rotor 18 to rotate 90 ° or more, and the first blade at the moment smoothly compresses the calculated portion in front of itself the working fluid - gas and through the window 6 in the partition 7 connects to the cooling cavity 11, where the working fluid - gas is rapidly cooled in the chamber 20 and again cooled back into the heating cavity 8, so the cycles are repeated one after another It is clear that it causes the rotor 18 to rotate at a high speed due to the pressure drop in the heating cavity 8 and the cooling cavity 11. The pressure drop depends on the difference in temperature in the heating cavity 8 and the cooling cavity 11.

Исходя из вышеизложенного необходимо систему охлаждения делать более совершенной, от этого зависит мощность двигателя и его экономичность. Необходимо также объем рабочего тела - газа в охладительной полости 11 делать как можно больше, чем в нагревательной полости 8, тем лучше и быстрее будет охлаждаться последующая порция рабочего тела - газа и при сжатии газа передней лопастью 19 меньше будет оказывать рабочее сопротивление, а это позволит с меньшей температурой перепада получать больший крутящий момент на валу 21 отбора мощности. Данный способ нагрева рабочего тела - газа приемлем для энергетики, а для транспортных средств способ нагрева должен быть по принципу пропускание горячего газа через нагреватель 9.Based on the foregoing, it is necessary to make the cooling system more perfect, engine power and its efficiency depend on this. It is also necessary to do the volume of the working fluid - gas in the cooling cavity 11 as much as possible than in the heating cavity 8, the better and faster the subsequent portion of the working fluid - gas will cool and when the gas is compressed by the front blade 19 it will provide less working resistance, and this will allow with a lower differential temperature to obtain more torque on the shaft 21 of the power take-off. This method of heating the working fluid gas is acceptable for the energy sector, and for vehicles, the heating method should be based on the principle of passing hot gas through heater 9.

Топливо желательно сжигать по принципу как у реактивных самолетов, а газы пропускать через нагреватель 9, что сделать не сложно. Практически можно нагревать по принципу паяльной лампы, пропуская много воздуха, чтобы топливо сгорало полностью. В результате предложенных усовершенствований новый двигатель внешнего сгорания найдет широкое применение и в энергетике и на транспортных средствах.It is advisable to burn fuel according to the principle of a jet aircraft, and pass gases through a heater 9, which is not difficult to do. It is practically possible to heat by the principle of a blowtorch, letting in a lot of air so that the fuel burns completely. As a result of the proposed improvements, the new external combustion engine will find wide application in both the energy sector and vehicles.

Claims

An external combustion engine comprising a housing with front and rear covers fixed to it, a rotor with blades housed in the housing, the high-pressure working cavities of the working fluid (gas) being constantly connected to compression and expansion chambers, connected according to the duty cycle to the cooler and heater, characterized in that the rotor is placed between the side walls in which the windows are made, one of which is constantly in communication with the heating cavity, and the other is constantly in communication with the cooling cavity, between enchatymi rotor blades made constant volume chamber for transferring the working fluid, wherein the heater is connected to the rear housing cover, and cooling - from the front.