RU92479U1 - STIRLING'S ENGINE - Google Patents

Abstract

Двигатель Стирлинга, содержащий, по крайней мере, один цилиндр, в котором установлены вытеснительный и рабочий поршни, разделяющие его объем на горячую и холодную полости и соединяющие их последовательно установленные в цилиндре нагреватель, регенератор и охладитель, при этом шток рабочего поршня соединен с исполнительным механизмом, отличающийся тем, что дополнительно введены датчики положений вытеснительного и рабочего поршней, соединенные соответственно со своими поршнями, пульт управления мощностью двигателя, пульт управления режимом работы двигателя, механизм привода вытеснительного поршня и его блок управления, первый и второй выходы которого соединены с датчиками положений вытеснительного и рабочего поршней соответственно, третий выход соединен с механизмом привода вытеснительного поршня и со штоком вытеснительного поршня, четвертый выход - с пультом управления мощностью двигателя, а пятый выход - с пультом управления режимом работы двигателя.A Stirling engine containing at least one cylinder in which a displacement and working pistons are installed, dividing its volume into hot and cold cavities and connecting a heater, a regenerator and a cooler connecting them in series in the cylinder, while the piston rod is connected to the actuator , characterized in that the sensors additionally introduced the position of the displacement and working pistons, respectively connected to their pistons, a control panel for engine power, a control panel for the engine operation mechanism, the displacement piston drive mechanism and its control unit, the first and second outputs of which are connected to the displacement and working piston position sensors, respectively, the third output is connected to the displacement piston drive mechanism and the displacement piston rod, the fourth output is connected to the engine power control panel , and the fifth output - with the control panel of the engine operation mode.

Description

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к тепловым двигателям, работающим по циклу Стирлинга, и может быть использована в автомобилях, самоходных машинах, судах, авиации, космических и стационарных установках, работающих на твердом, жидком, газообразном ядерном топливе или другом источнике разницы температур, а так же в холодильных и криогенных установках и в качестве теплового насоса.The utility model relates to the field of engine building, namely to heat engines operating according to the Stirling cycle, and can be used in automobiles, self-propelled machines, ships, aviation, space and stationary installations operating on solid, liquid, gaseous nuclear fuel or other source of difference temperatures, as well as in refrigeration and cryogenic plants and as a heat pump.

Известен двигатель Стирлинга, (см. книга Г.Уокер «Двигатели Стирлинга», М. Машиностроение, 1985, стр.85), который содержит, по крайней мере, один цилиндр, вытеснительный и рабочий поршни, размещенные в цилиндре и разделяющие его объем на горячую и холодную полости, охладитель, регенератор и нагреватель, установленные последовательно в магистрали, соединяющей горячую и холодную полости. Вышеуказанное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа. Недостатком прототипа является низкая приемистость двигателя. Решаемой задачей полезной модели является создание двигателя Стирлинга с регулируемой мощностью.The well-known Stirling engine, (see G. Walker's book "Stirling Engines", M. Mashinostroenie, 1985, p. 85), which contains at least one cylinder, displacement and working pistons located in the cylinder and dividing its volume into hot and cold cavities, a cooler, a regenerator and a heater installed sequentially in the line connecting the hot and cold cavities. The above device is the closest in technical essence to the claimed device and therefore is selected as a prototype. The disadvantage of the prototype is the low engine throttle response. The solved problem of the utility model is the creation of a Stirling engine with adjustable power.

Достигаемым техническим результатом является достижение приемистости работы двигателя, превышающее показатели двигателей внутреннего сгорания.Achievable technical result is the achievement of engine throttle response exceeding the performance of internal combustion engines.

Для достижения технического результата в двигателе Стирлинга, содержащем, по крайней мере, один цилиндр, в котором установлены вытеснительный и рабочий поршни, разделяющие его объем на горячую и холодную полости и соединяющие их последовательно установленные в цилиндре нагреватель, регенератор и охладитель, при этом шток рабочего поршня соединен с исполнительным механизмом, новым является то, что дополнительно введены датчики положений вытеснительного и рабочего поршней, соединенные соответственно со своими поршнями, пульт управления мощностью двигателя, пульт управления режимом работы двигателя, механизм привода вытеснительного поршня и его блок управления, первый и второй выходы которого соединены с датчиками положений вытеснительного и рабочего поршней соответственно, третий выход соединен с механизмом привода вытеснительного поршня, четвертый выход - с пультом управления мощностью двигателя, а пятый выход - с пультом управления режимом работы двигателя.To achieve a technical result in a Stirling engine containing at least one cylinder, in which a displacement and working pistons are installed, dividing its volume into hot and cold cavities and connecting a heater, a regenerator and a cooler connecting them in series to the cylinder, while the working rod the piston is connected to the actuator, new is that additionally introduced sensors position displacement and working pistons, respectively connected with their pistons, control panel engine power, engine operating mode control panel, displacement piston drive mechanism and its control unit, the first and second outputs of which are connected to displacement and working piston position sensors, respectively, the third output is connected to the displacement piston drive mechanism, the fourth output is to the engine power control panel , and the fifth output - with the control panel of the engine operation mode.

Введение дополнительных датчиков положений вытеснительного и рабочего поршней, пульта управления мощностью двигателя, пульта управления режимом работы двигателя, механизма привода вытеснительного поршня и его блока управления позволяет добиться высокой приемистости двигателя и его реверсивности.The introduction of additional displacement and working piston position sensors, an engine power control panel, an engine operating mode control panel, a displacement piston drive mechanism and its control unit allows for high engine response and its reversibility.

Рассмотрим применение к автомобильным двигателям при разных режимах. Имеется многоцилиндровый двигатель Стирлинга с тремя и более полостями рабочих поршней и соответствующего количества вытеснителей, который будет самопускаемым и реверсивным. В качестве привода вытеснительного поршня применен электродвигатель. В блоке управления движением вытеснительного поршня заложены программы: скоростная, силовая, позиционная или комбинированная, которая выбирается с пульта управления.Consider the application to car engines in different modes. There is a multi-cylinder Stirling engine with three or more cavities of the working pistons and the corresponding number of displacers, which will be self-starting and reversible. An electric motor is used as a drive of the displacement piston. The control unit for the movement of the displacement piston contains programs: high-speed, power, positional or combined, which is selected from the control panel.

При скоростном режиме пультом управления мощностью двигателя задается определенная скорость и направление вращения выходного вала двигателя, соответственно, блок управления движением вытеснительного поршня дает сигнал на изменение скорости движения вытеснительного поршня и его приводу, но ускорение (замедление) скорости движения вытеснительного поршня не должно превышать критического угла опережения движений вытеснительного и рабочих поршней, которое составляет около 90° (для каждой конструкции двигателя индивидуально), что определяется датчиками положений вытеснительного и рабочих поршней, соответственно. Блок управления движением вытеснительного поршня делает соответственно корректировку на ускорение (замедление) скорости вращения привода вытеснительного поршня.In high-speed mode, the engine power control panel sets a certain speed and direction of rotation of the engine output shaft, respectively, the displacement piston motion control unit gives a signal to change the displacement piston speed and its drive, but the acceleration (deceleration) of the displacement piston speed should not exceed the critical angle advancing the movements of the displacement and working pistons, which is about 90 ° (individually for each engine design), which is determined is displaced by the sensors of the displacement and working pistons, respectively. The displacement piston motion control unit accordingly makes an adjustment for acceleration (deceleration) of the displacement piston drive rotation speed.

При силовом режиме пультом управления мощностью двигателя задается определенный момент вращения выходного вала. Блок управления движением вытеснительного поршня дает сигнал на изменение угла опережения движения вытеснительного поршня его приводу, но максимальная скорость вращения выходного вала не должна превышать предельного значения, заложенного конструкцией двигателя, при этом блок управления движением вытеснительного поршня делает корректировку.In power mode, the engine power control panel sets a specific torque of the output shaft. The displacement piston motion control unit gives a signal to change the advance angle of the displacement piston to its drive, but the maximum rotation speed of the output shaft should not exceed the limit value set by the engine design, while the displacement piston motion control unit makes an adjustment.

При позиционном режиме пультом управления мощностью двигателя задается необходимое количество оборотов вращения выходного вала. При этом блок управления движением вытеснительного поршня, анализируя сигналы датчиков положений вытеснительного и рабочего поршней, дает сигнал на движение вытеснительного поршня, ограничивая скорость вращения и угол опережения движения вытеснительного и рабочего поршней.In positional mode, the engine power control panel sets the required number of revolutions of the output shaft. At the same time, the displacement piston motion control unit, analyzing the signals of the displacement and working piston position sensors, gives a signal for the displacement piston movement, limiting the rotation speed and the advance angle of the displacement and working pistons.

При комбинированных режимах пультом управления мощностью двигателя задается режим вращения выходного вала, используя одновременно в некоторой степени скоростной, силовой и позиционный режим работы.In combined modes, the engine power control panel sets the rotation mode of the output shaft, using at the same time to some extent high-speed, power and positional operation.

На фигуре представлено заявляемое устройство. Двигатель Стирлинга содержит цилиндр 1 и 3, в котором установлены вытеснительный 4 и рабочий 2 поршни, разделяющие его объем на горячую 5 и холодную 9 полости и соединяющие их последовательно установленные в цилиндре нагреватель 6, регенератор 7 и охладитель 8, при этом шток рабочего поршня 2 соединен с исполнительным механизмом 13, механизм привода вытеснительного поршня 15, который кинематически соединен между собой и со штоком вытеснительного поршня 4, а также имеются датчик положения рабочего поршня 14, датчик положения вытеснительного поршня 16, блок управления механизмом привода вытеснительного поршня 10, пульт управления мощностью двигателя 12, пульт управления режимом работы двигателя 11.The figure shows the inventive device. The Stirling engine contains a cylinder 1 and 3, in which a displacement 4 and working 2 pistons are installed, dividing its volume into hot 5 and cold 9 cavities and connecting them in series installed in the cylinder heater 6, regenerator 7 and cooler 8, while the piston rod 2 connected to the actuator 13, the drive mechanism of the displacement piston 15, which is kinematically connected to each other and to the stem of the displacement piston 4, and there is also a position sensor for the working piston 14, a position sensor for the displacement piston 16, the control unit drive mechanism for displacing the piston 10, the remote power control engine 12, the controller 11 of the engine operation mode.

Устройство может работать в режиме двигателя или режиме теплового насоса.The device can operate in motor mode or heat pump mode.

В работе устройства существует четыре последовательных такта движения поршней:In the operation of the device, there are four sequential strokes of the movement of the pistons:

При первом такте (такте сжатия) вытеснительный поршень 4 находится в верхней мертвой точке (ВМТ), рабочий поршень 2 двигается от нижней мертвой точки (НМТ) к (ВМТ), весь объем рабочего тела сжимается в холодной полости 9, уменьшая объем рабочего тела.At the first cycle (compression cycle), the displacement piston 4 is located at the top dead center (TDC), the working piston 2 moves from the bottom dead center (BDC) to (TDC), the entire volume of the working fluid is compressed in the cold cavity 9, reducing the volume of the working fluid.

Во втором такте (такте нагревания) вытеснительный поршень 4 двигается от ВМТ к НМТ, вытесняя рабочее тело из холодной полости 9 в горячую полость 5 через регенератор 7 и нагреватель 6, нагревая рабочее тело. В результате повышается давление рабочего тела.In the second cycle (heating cycle), the displacement piston 4 moves from TDC to BDC, displacing the working fluid from the cold cavity 9 into the hot cavity 5 through the regenerator 7 and the heater 6, heating the working fluid. As a result, the pressure of the working fluid increases.

В третьем такте (рабочий ход) в результате повышения давления рабочего тела, рабочий поршень начинает движение от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу и увеличивая объем рабочего тела.In the third step (working stroke) as a result of increasing the pressure of the working fluid, the working piston begins to move from TDC to BDC, doing useful work and increasing the volume of the working fluid.

В четвертом такте (такте охлаждения) вытеснительный поршень 4 двигается от НМТ к ВМТ, вытесняя рабочее тело, которое из горячей полости 5 переходит в холодную полость 9 через регенератор 7 и охладитель 8, охлаждая рабочее тело, в результате чего понижается давление рабочего тела.In the fourth cycle (cooling cycle), the displacement piston 4 moves from BDC to TDC, displacing the working fluid, which from the hot cavity 5 passes into the cold cavity 9 through the regenerator 7 and cooler 8, cooling the working fluid, as a result of which the pressure of the working fluid decreases.

Далее первый такт повторяется.Next, the first measure is repeated.

Если поддерживается опережение движения амплитуд вытеснительного поршня 4 от рабочего 2 на угол более 0° и менее 90° (для каждой конструкции устройства индивидуально) с помощью механизма привода вытеснительного поршня 15, блока управления вытеснительным поршнем 10, пульта управления мощностью двигателя 12, пульта управления режимом работы двигателя 11, датчиков положения рабочего 14 и вытеснительного 16 поршней, то устройство работает в режиме двигателя.If the advancing movement of the amplitudes of the displacing piston 4 from the working 2 is supported by an angle of more than 0 ° and less than 90 ° (for each device design individually) using the drive mechanism of the displacing piston 15, the control unit of the displacing piston 10, the engine power control panel 12, the mode control panel the engine 11, the position sensors of the working 14 and displacement 16 pistons, the device operates in engine mode.

Если поддерживается отставание движения амплитуд вытеснительного поршня 4 от рабочего 2 на угол более 0° и менее 90° (для каждой конструкции устройства индивидуально), то есть последовательно такты сжатия, охлаждения, с помощью механизма привода вытеснительного поршня 15, блока управления вытеснительным поршнем 10, пульта управления мощностью двигателя 12, пульта управления режимом работы двигателя 11, датчиков положения рабочего 14 и вытеснительного 16 поршней отставание движения амплитуд вытеснительного 4 от рабочего 2 поршней угол более 0° и менее 90° (для каждой конструкции устройства индивидуально), то есть последовательно такты сжатия, охлаждения, рабочий ход, нагревания устройство работает в режиме теплового насоса.If the lag of the amplitudes of the displacing piston 4 from the working 2 is maintained at an angle of more than 0 ° and less than 90 ° (for each device design individually), that is, compression, cooling cycles sequentially using the displacement piston drive mechanism 15, the displacement piston control unit 10, control panel for engine power 12, control panel for operating mode of engine 11, position sensors of working 14 and displacement 16 pistons, lag of movement of amplitudes of displacement 4 from working 2 pistons, angle more than 0 ° and less than 90 ° (for each device design individually), that is, sequentially, compression, cooling, stroke, heating, heating cycles; the device operates in the heat pump mode.

Был изготовлен макет устройства, который подтвердил его работоспособность. На учебной модели двигателя Стирлинга была разорвана связь между вытеснительным поршнем и коленчатым валом. Возвратно-поступательное движение вытеснительного поршня производилось в ручную. В результате рабочий поршень следовал за движением руки человека, увеличивая и уменьшая обороты выходного вала в зависимости от частоты движения вытеснительного вала.A mock device was made, which confirmed its operability. On the training model of the Stirling engine, the connection between the displacement piston and the crankshaft was broken. The reciprocating movement of the displacement piston was carried out manually. As a result, the working piston followed the movement of the human hand, increasing and decreasing the speed of the output shaft, depending on the frequency of movement of the displacement shaft.

Claims (1)

Двигатель Стирлинга, содержащий, по крайней мере, один цилиндр, в котором установлены вытеснительный и рабочий поршни, разделяющие его объем на горячую и холодную полости и соединяющие их последовательно установленные в цилиндре нагреватель, регенератор и охладитель, при этом шток рабочего поршня соединен с исполнительным механизмом, отличающийся тем, что дополнительно введены датчики положений вытеснительного и рабочего поршней, соединенные соответственно со своими поршнями, пульт управления мощностью двигателя, пульт управления режимом работы двигателя, механизм привода вытеснительного поршня и его блок управления, первый и второй выходы которого соединены с датчиками положений вытеснительного и рабочего поршней соответственно, третий выход соединен с механизмом привода вытеснительного поршня и со штоком вытеснительного поршня, четвертый выход - с пультом управления мощностью двигателя, а пятый выход - с пультом управления режимом работы двигателя.

A Stirling engine containing at least one cylinder in which a displacement and working pistons are installed, dividing its volume into hot and cold cavities and connecting a heater, a regenerator and a cooler connecting them in series in the cylinder, while the piston rod is connected to the actuator , characterized in that the sensors additionally introduced the position of the displacement and working pistons, respectively connected to their pistons, a control panel for engine power, a control panel for the engine operation mechanism, the displacement piston drive mechanism and its control unit, the first and second outputs of which are connected to the displacement and working piston position sensors, respectively, the third output is connected to the displacement piston drive mechanism and the displacement piston rod, the fourth output is connected to the engine power control panel , and the fifth output - with the control panel of the engine operation mode.