ТРАКТОР КАШЕВАРОВА Российский патент 1994 года по МПК B62D63/04 F02B71/04 

Изобретение относится к тракторостроению.

Известные тракторы имеют сложную конструкцию, большую стоимость, малый срок эксплуатации до первого ремонта, сложный ремонт, малый КПД, они не решают дефицита электроэнергии и проблему водоснабжения в сельской местности.

Предлагаемый трактор устраняет эти недостатки путем использования нового принципа устройства двигателя внутреннего сгорания, в котором нет кривошипно-шатунного механизма с коленчатым валом и коробкой передач. В нем энергия топлива, сгорающего в камере сгорания, используется для вытеснения воды из цилиндра, которая вращает гидротурбину, используемую для движения трактора в поле и для вращения электрогенератора на ферме, вырабатывающего электроэнергию. Кроме того, трактор может быть использован как насос для подачи воды на высоту до 400 м для орошения и для бытовых нужд.

Предлагаемый трактор использует шасси колесного трактора "Белорусь", на которых устанавливается дизельный вариант реактивного водно-газового двигателя внутреннего сгорания с гидротурбиной, заменяющего д. в. с. трактора "Белорусь" и съемный электрогенератор, установленный в гараже трактора и подключаемый к его д. в. с.

Предлагаемый трактор-электростанция-насос даст возможность решить энергетическую проблему для сельской местности без дополнительных капитальных затрат на строительство электростанции и линий электропередач в более короткие сроки и с большей эффективностью. Расчеты доказывают, что киловатт мощности (по электроэнергии) прелагаемого трактора будет дешевле, чем киловатт мощности тепловых и атомных электростанций и киловатт-час выработанной электроэнергии с помощью трактора будет дешевле, чем киловатт-час электроэнергии, выработанной, например, на АЭС или ГРЭС.

На фиг. 1 изображен трактор, вид сбоку; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1 (в увеличенном масштабе); на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - то же, в увеличенном масштабе; на фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 3; на фиг. 6 - график работы двигателя.

Предлагаемый трактор 1 имеет компрессор 2, водно-газовый двигатель 3 (одновременно он является и насосом) и съемный электрогенератор 4.

Водно-газовый двигатель 3 имеет оголовник 5, головку блока цилиндров 6, три цилиндра 7 и гидротурбину 8. В центре оголовника 5 расположена камера сгорания 9, окруженная куполообразной камерой 10 для сжатого воздуха, который подается в нее по патрубку 11 от компрессора 2, перекрытому клапаном 12. Камера 9 соединена с камерой 10 трубками 13. В центре камеры сгорания установлен воспламенитель 14 в виде шарика из жаропрочного материала, на которой выпрыскивается дизельное топливо из форсунки 15. Топливо к форсункам 15 подводится по трубке 16.

Для запуска холодного двигателя в камере сгорания установлена форсунка 18 на конце трубки 19, подводящей к форсунке 18 бензин из баллончика 20 под давлением сжатого воздуха в баллончике 21, который соединен с баллончиком 20 трубкой 22, перекрытой клапаном 23. Воспламенение бензина производится с помощью электросвечи 24. Трубки 16 и 19 перекрыты клапанами соответственно 25 и 26, управляемыми компьютером 17.

Камера сгорания 9 соединена с одним из трех газоводов 27, идущих к цилиндрам 7, с помощью наклонного канала 28 в цилиндрическом вкладыше 29, который может быть повернут на 120^о. При повороте цилиндрического вкладыша на 120^о его канал 28 совмещается с газоводом 28 смежного цилиндра 7. Поворот вкладыша 29 производится в цилиндрической выемке 30 с помощью конической шестерни 31, находящейся в зацеплении с коническими шестернями 32 вкладыша 29 и сателлита 33, установленного на опорном подшипнике 34, воспринимающем давление газов в камере сгорания, оказываемое на вкладыш 29. Коническая шестерня 31 поворачивает вкладыш 29 с помощью электродвигателя 35 и вала 36 в одно из трех положений, при котором он соединяет каналом 28 камеру сгорания 9 с одним газоводом 27 и перекрывается выступом 37 два других газовода 27, идущих к двум другим цилиндрам 7. При этом выступ 37 контактирует с отверстием 38 камеры сгорания 9 по дуге в 240^о, расположенной против канала 28.

В верхней части головки блока цилиндров находится кольцевая камера 39, заполненная водой с водоводом 40, перекрытым клапаном 41. От газовода 27 к цилиндру 7 проходит трубка 42, а нижний конец газовода 27 соединяется с краем цилиндра 7.

На нижней поверхности головки цилиндра 6 установлен подпружиненный электродатчик 43 положения плавающего поршня 44, изолирующего (отделяющего) выхлопные газы от воды в цилиндре 7. О положении поршня 44 также передают электросигналы в компьютер 17 подпружиненные электродатчики 45, установленные на дне цилиндра 7, и электродатчики 46, установленные на боковой поверхности цилиндров на одном уровне с форсункой клапана 47, предназначенного для впрыскивания воды в цилиндр из цилиндрической камеры 48 и для заполнения водой камеры 48 из цилиндра 7. При заполнении водой камеры 48 одновременно с открытием клапана 47 открывается клапан 49, находящийся в верхней части камеры 48.

Стенки камеры 9, газоводов 27,28,42, а также нижняя поверхность головки цилиндра 6, верхняя поверхность поршня 44 и боковые стенки цилиндра 7, соприкасающиеся с раскаленными выхлопными газами, покрыты термоизолирующим слоем 50 (на чертеже показано крестообразной штриховкой).

От газовода 27 отходит трубка 51, перекрытая клапаном 52 и предназначенная для удаления выхлопных газов при подъеме поршня 44.

На дне цилиндра 7 установлены самооткрывающиеся дверцы 53 и 54, перекрывающие отверстия соответственно в камеры высокого 55 и низкого 56 давления, заполненные водой. Начало камеры 55 высокого давления образует скос 57 с наклоном 40-45^о от оси вращения 58 дверцы 53 первого цилиндра 7 по дуге к дверцам 53 второго и третьего цилиндров 7. В конце этой камеры установлена гидротурбина 8 с валом 59, приводящая в движение трактор 1 и съемный электрогенератор 4.

От камеры 55 отходит патрубок 60, который при работе гидротурбины 8 перекрывается дверцей 61 с осью вращения 62, а при работе трактора 1 как насоса дверца 61 перекрывает входное отверстие гидротурбины 8. Из гидротурбины 8 вода проходит в камеру 56, в которой установлена эластичная оболочка 63 с воздухом, предназначенная для компенсации изменения объема воды, поступающей в камеру 56 из гидротурбины 8 (на фиг. 3 пунктиром показано положение оболочки 63 при максимальном объеме воды в камере 56). В камеру 56 при работе трактора 1 как насоса вода поступает через патрубок 64, перекрытый краном 65.

С валом 59 жестко связана шестерня 66, находящаяся в зацеплении с шестерней 67 вала 68, установленного в кронштейне 69. Муфта сцепления 70 соединяет карданный вал 71 с валом 68. На карданном валу 71 установлена шестерня 72, которая находится в зацеплении с шестерней редуктора электрогенератора 4 при его установке на тракторе 1. На валу 59 установлена муфта сцепления 73, соединяющая вал 59 с карданным валом 74, приводящим в движение задние колеса 75 трактора 1. На валу 74 установлена шестерня 76, а на подвижном кронштейне (на чертеже не показан) - шестерня сателлит 77, муфты сцепления установлены на кронштейне 78.

Электрогенератор 4 переменного тока напряжением 220 В, входящий в комплект трактора, устанавливается на тракторе на съемной платформе. Трактор 1 для электрогенератора 4 служит транспортным средством, а ДВС 3 трактора - двигателем для электрогенератора 4. В большинстве случаев электрогенератор 4 устанавливается для работы в гараже на уровне его установки в тракторе 1 с таким расчетом, чтобы трактор 1 задним ходом мог подъехать к нему вплотную. При этом электрогенератор 4 с помощью дополнительного карданного вала подключается к валу 71 двигателя 3.

Работа предложенного устройства производится как трактора, как электростанции и как насоса. Все эти виды работ обеспечиваются энергией водно-газового двигателя внутреннего сгорания 3, работающего на дизельном топливе с подачей сжатого воздуха от компрессора 2 со своим ДВС.

Двигатель 3 трактора может быть включен в рабочий режим за время не более 3 мин. За это время запускается компрессор, который в холодное время года снимается с трактора и хранится в теплом помещении и только перед запуском двигателя 3 устанавливается на тракторе и запускается без существенной затраты дополнительного времени. Запуск двигателя 3 начинается с включения компрессора по программе "Запуск" компьютера 17. По этой программе открываются клапаны 12, 23 и 21 и одновременно включается электросвеча 24. В результате этих действий в камеру сгорания 9 поступают сжатый воздух и бензин из форсунки 18, который воспламеняется электросвечей 24, через 1-2 мин факел от форсунки 18 раскалит воспламенитель 14, после чего открывается клапан 25 и через форсунки 15 на воспламенитель 14 выбрасывается струя дизельного топлива.

Топливо воспламеняется, клапаны 26 и 23 закрываются, в камере 9 за тысячные доли секунды давление продуктов сгорания топлива увеличивается до 300-400 кг/см², а температура - до 2000^оС. Выхлопные газы устремляются через канал 28 вкладыша 29 в газоводы 27 и 42 и через них - в цилиндр 7, создавая давление на поршень 44.

Под воздействием этого давления вода устремляется в водовод 55 к гидротурбине 8, которая начинает вращать вал 59.

Во время воспламенения топлива давление в камере 9 превысит в 6-8 раз давление в камере 10, в результате чего часть выхлопных газов устремится по трубкам 13 к камере 10. Диаметр и длина трубки 13 рассчитаны так, что выхлопные газы не успеют достигнуть камеры 10, так как за время их движения по трубкам 13 давление в камере 9 понизится и станет меньше давления в камере 10. Выхлопные газы из трубок 13 вытеснятся в камеру 9 давлением сжатого воздуха, поступающего от компрессора 2 в камеру 10, из нее по трубкам 13 начинает поступать сжатый до 50 кг/см² воздух, который вытеснит выхлопные газы из камеры 9 в газовод 27. В этот момент, определяемый компьютером 17 по программе "Рабочий режим", кратковременно открывается клапан 25 и через форсунку 15 новая струя дизельного топлива впрыскивается на воспламенитель 14. Повторяется ранее изложенный рабочий цикл действия камеры 9. Время, затрачиваемое на один рабочий цикл, может быть равно сотым долям секунды. Это время может изменятся в широких пределах путем изменения количества топлива и воздуха, подаваемого в камеру сгорания 9. При этом количество топлива, подаваемого в камеру 9, может регулироваться компьютером изменением частоты и продолжительности открытия клапана 25, а количество воздуха - изменением давления воздуха, подаваемого компрессором 2, в результате изменения его режима работы.

Выхлопные газы, поступая через газоводы 27 и 42 в цилиндр 7, создают давление на поршень 44, который передает это давление на воду, вытесняя ее в водовод 55. При этом выхлопные газы расширяются и понижают свою температуру, превращая всю свою тепловую энергию в кинетическую энергию воды, вращающей гидротурбину 8.

При прохождении поршня 44 вниз он задевает рычажок электродатчика 46, который направляет электросигнал в компьютер 17. Из компьютера 17 поступает команда на поворот вкладыша 29 на 120^о, в результате чего камера 9 соединяется с газоводом 27 следующего цилиндра 7. Далее поступает команда на открытие клапана-форсунки 47 и клапана 41, в результате чего в газоводы 27 и 42 и в цилиндр 7 впрыскивается вода, которая при соприкосновении с выхлопными газами, имеющими температуру около 1000^оС, испаряется, поддерживая давление на поршень 44 парогазовой смеси и уменьшая ее температуру. Количество воды, впрыскиваемое в газоводы 27 и 42 и в цилиндр 7, подбирается с таким расчетом, чтобы к моменту соприкосновения поршня 44 с электродатчиком 45, установленным на дне цилиндра, вся впрыснутая вода испарилась, давление паро-газовой смеси уменьшилось до 1,5 кг/см², а температура этой смеси уменьшилась до 150-120^оС.

По электросигналу электродатчика 45 компьютер выдает команду на открытие клапана 52 выхлопной трубы 51, и в цилиндре 7 давление снижается до атмосферного. Под воздействием избыточного давления воды в камере 56 дверца 54 приоткрывается, через нее в цилиндр 7 проходит вода, поднимающая поршень 44, который вытесняет выхлопные газы в выхлопную трубу 51. При прохождении поршнем электродатчика 46 по его электросигналу компьютер 17 выдает команду на заполнение водой камер 39 и 48 с помощью кратковременного включения водяного насоса (на чертеже не показан) при ранее закрытых клапанах 41 и 47. При касании поршня 44 электродатчика 43 в компьютер поступает соответствующий электросигнал от датчика 43, а от компьютера поступает команда на закрытие клапана 52.

К этому моменту уже закончится рабочий ход поршня 44 под воздействием газов, выходящих из камеры сгорания 9 у третьего цилиндра 7, и по команде компьютера 17 вкладыш 29 поворачивается на 120^о и в первый цилиндр 7 начинают поступать выхлопные газы из камеры сгорания 9.

Порядок работы цилиндров двигателя 3 показан на графике (см. фиг. 6), при составлении которого принято, что время работы камеры сгорания на каждый из трех цилиндров равно 1,5 с. В эти 1,5 с поршень 44 проходит вниз от его верхнего положения до электродатчика 46 - эта часть графика обозначена цифрой 1. Время движения поршня 44 вниз от датчика 46 до электродатчика 45 равно 1 с - эта часть графика обозначена цифрой 2. Время движения поршня 44 вверх от электродатчика 45 до электродатчика 43 равно 2 с - эта часть графика обозначена цифрой 3. На графике показан ход поршня 44 в цилиндрах I, II и III. При этом линия графика 1 отражает рабочий ход поршня 44 под давлением выхлопных газов, поступающих из камеры сгорания 9, линия графика 2 - продолжение рабочего хода поршня под действием выхлопных газов, уже не поступающих из камеры 9, и пара, образовавшегося от воды, поступившей из клапанов 41 и 47, линия графика 3 - отражает выхлоп - удаление выхлопных газов в результате хода поршня 44 вверх из крайнего нижнего положения в верхнее положение.

Существенным моментом работы двигателя 3 является то, что рабочий ход поршня 44, например, второго цилиндра 7 под воздействием газов из камеры 9 перекрывается на 2/3 времени продолжением рабочего хода первого цилиндра под воздействием смеси пара и газа при перекрытом газоводе 27 поворотом вкладыша 29. В результате этого рабочий ход поршня 44 в каждом цилиндре занимает 2,5 с, а холостой ход (удаление выхлопных газов) - только 2 с, т. е. рабочий ход больше по времени, чем холостой ход. Это свойство выгодно отличает предлагаемый двигатель от известных.

При работе поршней 44 объем воды в трех цилиндрах двигателя 3 изменяется в некоторых пределах. Это изменение общего объема воды в цилиндрах приводит к изменению объема воды, поступающей в камеру 56. По этой причине с помощью эластичной оболочки 63, заполненной воздухом, объем камеры 56, занимаемой водой, может изменяться, при увеличении объема воды в камере 56 объем воздуха в оболочке 63 уменьшается, а его давление (степень сжатия) увеличивается - оболочка занимает положение, обозначенное на фиг. 3 пунктирной линией.

При работе в поле в качестве трактора вал 59, идущий от гидротурбины 8, с помощью муфты сцепления 73 соединяется с карданным валом 74, идущим к дифференциалу заднего моста колес 75 трактора. Благодаря возможности изменения мощности двигателя 3 с помощью компьютера, а также благодаря гидротурбине 8, способной создавать большой крутящий момент на малых оборотах, исключается обычная для тракторов коробка передач. Для движения задним ходом сцепление 73 выключается и включается сателлитная шестерня 77 между шестерней 76 вала 74 и шестерней 72 вала 71, после чего включается муфта сцепления 70.

На фиг. 3 показан случай включения шестерни 77 между шестернями 72 и 76 для движения трактора задним ходом. Уменьшение мощности двигателя, а следовательно, и скорости вращения гидротурбины 8 может быть произведено также путем прекращения работы форсунки 15 перекрытием клапана 25 при работающем компрессоре 2, в результате чего мощность двигателя 3 станет равной мощности компрессора 2, за счет которого будут работать поршень 44 и турбина 8. Однако такой способ снижает КПД двигателя внутреннего сгорания.

Прицепные и навесные орудия, необходимые для выполнения различных полевых работ, подсоединяют свои карданные валы к валу 71 для приведения в действие своих механизмов. В этом случае могут быть включены одновременно муфты сцепления 70 и 73, но не может быть включена шестерня сателлит 77, что предусмотрено соответствующей блокировкой.

Работа трактора как насоса производится при выключенных сцеплениях 70 и 73 путем подключения к патрубку 60 водовода высокого давления, по которому вода пойдет для орошения плантаций или в поселок для бытовых потребностей. Затем к крану 65 подключается водовод от источника воды, который должен находится выше трактора. Далее открывается кран 65 и поворачивается дверца 61, открывающая отверстие патрубка 60 и перекрывающая вход воды в турбину 8. Включается двигатель 3.

Работа трактора как электростанции производится в гараже при установке электрогенератора 4 на прочном основании, к которому вплотную задним ходом подъезжает трактор. К редуктору электрогенератора 4 и к валу 71 трактора подсоединяется из ЗИПа дополнительный карданный вал, отключается сцепление 73, выключается сателлитная шестерня 77, включается сцепление 70 и двигатель 3 на постоянный режим работы, устанавливаемый на компьютере 17.

По мощности, вырабатываемой трактором как электростанцией (30-40 кВт), предлагаемый трактор может обеспечить электроэнергией 5-10 семей. Такая возможность делает целесообразным иметь для этих семей общую электросеть, которая будет работать от одного трактора-электростанции, и в дневное время.

(56) Патент США N 3088413, кл. 417-341, опублик. 1963.

Использование: тракторная насосная и электрогенераторная техника. Сущность изобретения: трактор имеет двигатель внутреннего сгорания принципиально нового типа, выполненный в виде водно-газового реактивного двигателя с гидротурбиной, установленной в водоводе между камерами с водой высокого и низкого давления, вращающей рабочий вал трактора при выполнении им полевых работ или вал съемного электрогенератора при работе двигателя трактора в гараже. Работа трактора как водяного насоса выполняется при перекрытии заслонкой водовода гидротурбины и подсоединения к патрубку камеры высокого давления воды водопроводной системы. Трактор имеет съемный компрессор для подачи сжатого воздуха в камеру сгорания его двигателя, работающего благодаря компрессору в двухтактном режиме (рабочий ход и выхлоп). 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Трактор, содержащий ходовую часть, кузов, силовую установку с гидравлической передачей, выполненной с нагнетающей и всасывающей камерами, в которой в качестве рабочей жидкости используется вода, электрогенератор и компрессор с соответствующими приводами, отличающийся тем, что силовая установка выполнена в виде водно-газового реактивного двигателя с гидротурбиной, рабочая камера двигателя связана с надпоршневой полостью, поршень выполнен плавающим и эластичным, подпоршневое пространство заполнено рабочей жидкостью и связано с гидротурбиной, нагнетающая и всасывающая камеры снабжены патрубками для подключения водоводов от источника воды к потребителю, электрогенератор выполнен съемным, а его привод выполнен в виде дополнительного карданного вала, связанного с валом турбины, привод компрессора выполнен в виде дополнительного двигателя внутреннего сгорания. 2. Трактор по п. 1, отличающийся тем, что силовая установка образована трехцилиндровым корпусом, содержащим сферическую камеру сгорания, связанную с куполообразной камерой сжатого воздуха при помощи радиальных каналов, цилиндрический золотник газораспределения, попеременно соединяющий газоводы трех цилиндров с камерой сгорания, шаровой воспламенитель, установленный в центре камеры сгорания, кольцевую камеру с клапанами и форсунками в патрубках, связывающих кольцевую камеру с газоводами, цилиндрическую камеру с клапанами и форсунками, связанную с цилиндрами двигателя, автоматические дверцы, связывающие цилиндры с нагнетающими и всасывающими камерами, другую дверцу, установленную на входе в гидротурбину, эластичную оболочку с воздухом, установленную во всасывающей камере. 3. Трактор по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен с двумя муфтами сцепления, с двумя карданными валами с шестернями, входящими в зацепление с шестерней сателлитом, установленной на подвижном кронштейне, а два вала с шестернями, находящимися в постоянном зацеплении, установлены перед муфтами сцепления.