ГАЗОПАРОЖИДКОСТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F02B71/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению.

Известны двигатели внутреннего сгорания, выполненные по традиционной схеме - с использованием шатунно-кривошипного механизма в качестве элемента, преобразующего энергию давления газов в цилиндре в энергию вращения нагрузки на выходном валу.

Основной недостаток таких схем - повышенные массогабаритные показатели.

Известны бесшатунные схемы двигателей, в которых указанное преобразование энергии осуществляется при помощи гидравлической силовой передачи, встроенной в схему поршневого двигателя.

Недостаток таких схем - относительно низкие экологические характеристики.

Целью изобретения является улучшение экологических характеристик.

Сущность изобретения состоит в усовершенствовании известных бесшатунных схем двигателей путем введения в схему компрессора с автономным электроприводом, шаровидной камеры сгорания, устройства для впрыска воды в камеру сгорания и других отличительных признаков, представленных в формуле изобретения.

На фиг. 1 изображен двигатель, вид сверху; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - то же, в более крупном масштабе; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2.

Газопарожидкостный двигатель имеет камеру сгорания 1 (фиг. 2,3) шаровидной формы, помещенную в центре оголовника 2, на периферийной части которого находятся кольцевые камеры 3 и 4 соответственно для природного газа и сжатого воздуха и центральная камера 5 для сжатого воздуха. Камера сгорания 1 соединена с камерами 3,4 и 5 трубками 6, через которые в камеру сгорания поступает природный газ и сжатый воздух. Природный газ в камеру 3 поступает по патрубку 7 из баллона с редуктором (не показан), понижающим давление до 50 кг/см². Сжатый воздух под давлением в 50 кг/см² поступает от компрессора 8 по патрубку 9 через шаровой баллон 10. Патрубки 7 и 9 перекрыты клапанами 11. Патрубок 9 с клапаном 11 подводит также сжатый воздух в камеру 5.

В камере сгорания 1 между отверстиями трубок 6, идущих от камер со сжатым воздухом и природным газом, установлены электросвечи 12. В центре камеры 1 установлен шаровой термоинерционный испаритель 13. Над ним установлена форсунка 14 с трубкой 15 с клапаном 16, идущей от баллона 17, в котором вода с помощью насоса поддерживается под давлением в 200 кг/см².

В нижней части камеры 1 установлен цилиндрический вкладыш 18, наклонный канал 19 которого соединяет камеру 1 с газоводом 20. Вкладыш 18 может быть повернут вокруг своей вертикальной оси на угол в 120^о с помощью шагового электродвигателя 21, вал 22 которого жестко связан с конической шестерней 23, находящейся в зацеплении с конической шестерней вкладыша 18 и с конической шестерней опорного подшипника 24. С противоположной стороны конической шестерни 23 в зацеплении с коническими шестернями вкладыша 18 и подшипника 24 находится сателлитная шестерня 25.

При повороте на 120^о вкладыш 18 соединяет камеру 1 с газоводом 20 другого цилиндра 26. От газовода 20 отходит вверх труба 27 выхлопных газов, перекрытая клапаном 28. Выхлопные трубы 27, отходящие от трех смежных цилиндров 26 одной камеры сгорания, соединяются в одну трубу 29, а три трубы 29 соединяются в центральную выхлопную трубу 30.

Цилиндр 26 имеет упругий плавающий поршень 31, который изолирует горячие выхлопные газы, поступающие через газовод 20, от воды, находящейся под поршнем 31.

Под вкладышем 18 между цилиндрами 26 установлена цилиндрическая камера 32, до половины заполненная водой из баллона 17 по трубке 33 под давлением 200 кг/см².

Ниже уровня воды в камере 32 установлены три форсунки 34 с клапанами, выходящие в цилиндры 26, смежные с камерой 32.

В цилиндре 26 на его верхней и нижней торцевой сторонах установлены электродатчики 35 и 36, фиксирующие верхнее и нижнее положения поршня 31. На цилиндрической поверхности цилиндра 26 на уровне ниже уровня установки форсунки 34 установлен электродатчик 37, фиксирующий прохождение мимо него поршня 31. Нижняя торцевая сторона цилиндра выполнена в виде кольца 38, останавливающего движение поршня 31 вниз. Под кольцом 38 находится кольцевая камера 39, в которую пружинами 40 поднимается кольцевая перегородка 41. Верхняя часть камеры 39 соединена трубкой 42 с газоводом 20, а верхняя часть перегородки 41 имеет поршнеобразное утолщение 43, на которое воздействует давление выхлопных газов, отжимающих перегородку 41 в нижнее положение, при котором она препятствует проходу воды из цилиндра в камеру 44 низкого давления. В таком положении перегородки 41 вода из цилиндра 26 поступает в камеру 45 высокого давления, открывая своим давлением, создаваемым выхлопными газами, дверцу 46, имеющую пружину на оси 47, закрывающую дверцу.

Вода в камеру 45 поступает во время рабочего хода поршня 31 из каждого цилиндра 26 в определенном порядке (очередности), установленном в программе работы двигателя, которая заложена в компьютере 48, управляющем работой всех клапанов, форсунок, электросвечей и шаговых электромоторов двигателя. Вода, поступающая в камеру 45 высокого давления, проходит в камеру 44 низкого давления через гидротурбину 49, вращая ее и отдавая ей свою энергию.

Гидротурбина 49 имеет вал 50, с помощью которого ее вращение передается редуктору 51, а от него электрогенератору 52 и компрессору 8.

При работе двигателя поступление воды из камеры 45 в камеру 44 и из камеры 44 в цилиндры не имеет плавного и полностью сбалансированного потока. Для компенсации этой несбалансированности в цилиндрической камере 53 установлена эластичная перегородка 54, которая может прогибаться вверх под давлением воды в камере 44 и вниз под давлением воздуха, находящегося в камере 53 над эластичной перегородкой 54. На фиг. 2 сплошной линией показано положение перегородки 54 при наибольшем объеме воды в камере 44 и пунктирной линией - положение перегородки 54 при наименьшем объеме воды в камере 44.

Камера сгорания 1, наклонный канал 19 вкладыша 18, газовод 20, поршень 31 и внутренние стенки цилиндров 26, соприкасающиеся с горячими выхлопными газами, имеют термоизолирующее покрытие 55, изображенное на фиг. 3 крестообразной штриховкой.

Цилиндры 26 двигателя находятся в защитном корпусе 56 (фиг. 4), образующем замкнутое пространство, уменьшающее тепловые потери двигателя. На фиг. 1 показан двигатель со снятой верхней торцевой крышкой корпуса 56. На фиг. 2 и 3 корпус 56 не показан.

Работа двигателя производится по программам "Пуск" и "Остановка", заложенным в компьютер 48.

При включении программы "Пуск" открываются клапаны 11 и в камеры 3,4 и 5 начинает поступать сжатый воздух и природный газ из баллона 10 со сжатым воздухом и из баллона со сжатым природным газом. Одновременно включаются устройства, обеспечивающие ритмичную работу электросвечей 12. При заполнении камеры сгорания 1 сжатым воздухом и природным газом через трубки 6 из камер 3,4 и 5 произойдет воспламенение топливной смеси от очередной искры электросвечи 12. В момент воспламенения произойдет повышение температуры продуктов сгорания до 2000^оС и давления до 200-300 кг/см². Раскаленные выхлопные газы небольшую часть своей тепловой энергии отдадут нагреву термоинерционного испарителя 13, но основная часть их тепловой энергии затратится на расширение в газоводе 20 и цилиндре 26 на движение поршня 31 вниз. Поршень 31 передаст давление выхлопных газов, оказанное на него, воде, находящейся под ним. Под воздействием давления выхлопных газов, поступивших через трубку 42 в камеру 39, опустится кольцевая перегородка 41. При этом давление воды в цилиндре 26 откроет дверцу 46 и вода из цилиндра 26 начнет поступать в камеру 45 и далее через гидротурбину 49 в камеру 44, а из нее в два цилиндра 26, не подсоединенных цилиндрическим вкладышем 18 к камере сгорания 1.

Вода, пройдя через гидротурбину 49, приведет ее во вращение, которое через вал 50 и редуктор 51 приведет в действие компрессор 8 и электрогенератор 52.

После нескольких воспламенений топливной смеси в камере сгорания 1 компьютер включит в работу форсунку 14 открытием клапана 16. Вода из форсунки 14 будет впрыскиваться на теплоинерционный испаритель 13 заданной порцией после того, как давление в камере 1 станет ниже давления в баллоне 17, равного 200 кг/см². При этом испарившаяся вода понизит температуру испарителя 13 и выхлопных газов в камере 1, но увеличит их объем за счет образовавшегося пара и увеличит время воздействия высокого давления на поршень 31 за один цикл работы камеры сгорания 1. В результате этого увеличится КПД двигателя.

В установившемся режиме работа камеры сгорания 1 происходит в виде вынужденного колебательного процесса с периодом колебаний, близким периоду свободных колебаний. Темп колебаний задается компьютером частотой включения свечей зажигания, поджигающих топливную смесь, а также изменением давления природного газа путем изменения режима работы редуктора, через который проходит природный газ из баллона в камеру 3.

В установившемся режиме работы давление топливной смеси из природного газа и сжатого воздуха в момент ее воспламенения в камере 1 поднимается с 40-50 до 300-400 кг/см². Выхлопные газы устремляются в газовод 20 и давление за тысячные доли секунды падает до 150-170 кг/см². В этот момент происходит впрыск воды на термоинерционный испаритель из форсунки 14. Образовавшийся пар уменьшает скорость падения давления за счет увеличения объема смеси выхлопных газов и пара. Парогазовая струя из газовода 20 поступает в цилиндр 26, а в камере 1 давление падает до 30-40 кг/см².

При воспламенении топливной смеси в камере 1 небольшая часть газов проникает в трубки 6, вытесняя из них сжатый воздух и природный газ в камеры 3,4 и 5. Однако в камеры 3,4 и 5 продолжает поступать в силу инерции сжатый воздух и природный газ, в результате чего давление в камерах 3,4 и 5 поднимается до 60 и более кг/см². Длина и диаметр трубок 6 выбираются такими, что до того как выхлопные газы дойдут по ним до камер 3,4 и 5 давление в камере 1 понизится до 40 кг/см² повысится давление в камерах 3,4 и 5 до 60 кг/см², вытеснит из трубок 6 выхлопные газы и камеру сгорания и заполнит ее топливной смесью, давление которой повысится до 50 кг/см², т. к. выхлопные газы с паром будут остановлены давлением газов в цилиндре 26. В этот момент по команде компьютера включаются электросвечи 12, поджигающие топливную смесь в камере 1, и начинается следующий цикл ее работы.

Поршень 31 при движении вниз под давлением выхлопных газов задевает электродатчик 37, который подает электроимпульс в компьютер 48. По команде компьютера 48 включается шаговый электродвигатель 21, вкладыш 18 поворачивается на 120^о и выхлопные газы из камеры 1 по наклонному каналу 19 вкладыша 18 направляются в смежный (условно назовем его "второй") цилиндр 26, который в этот момент уже заполнен водой до соприкосновения его поршня 31 с электродатчиком 35. Далее по команде компьютера 48 открывается клапан форсунки 34 и в цилиндр 26 впрыскивается порция воды из цилиндрической камеры 32, в которой вода находится под давлением в 200 кг/см², поддерживаемым в баллоне 17, с которым камера 32 соединена трубкой 33.

Вода, впрыснутая форсункой 34, испаряется под действием высокой температуры выхлопных газов, увеличивая их давление на поршень 31 за счет уменьшения температуры до 200-250^оС. При дальнейшем движении поршня 31 вниз происходит расширение газов в цилиндре 26 с уменьшением давления их на поршень и уменьшением их температуры до 150^оС в момент касания поршнем электродатчика 36.

По сигналу электродатчика 36 компьютер 48 выдает команду на открытие клапана 28 выхлопной трубы, в результате чего давление в цилиндре 26 падает до атмосферного, поршень 31 останавливает кольцом 38, дверца 46 закрывается под воздействием своей пружины, давление в камере 39 снижается до атмосферного (т. к. камера 39 соединена трубкой 42 с газоводом 20 у основания выхлопной трубы 27), кольцевая перегородка 41 под воздействием пружины 40 поднимается, соединяя цилиндр 26 с камерой 44 низкого давления, и вода из камеры 44 под давлением в 1,5-2 кг/см² начинает поступать в цилиндр 26, поднимая поршень 31 вверх и вытесняя выхлопные газы в выхлопные трубы 27, 29 и 30. В момент касания поршня 31 электродатчика 35 компьютер 48 выдает команду на закрытие клапана 28 и после получения электросигнала от электродатчика 37 смежного цилиндра выдает команду на включение шагового электродвигателя 21, поворачивающего цилиндрический вкладыш на 120^о для переключения камеры сгорания 1 с третьего цилиндра на первый. До этого в начале движения поршня 31 вверх в первом цилиндре 26 состоялось переключение камеры сгорания 1 с второго цилиндра 26 на третий поворотом вкладыша 18 на 120^о.

С переключением камеры 1 на первый цилиндр начинается следующий цикл работы трех смежных цилиндров 26 от одной камеры сгорания. Работа двух других камер сгорания 1 двигателя со своими цилиндрами 26 производится в том же порядке, но по времени сдвинут на 1/3 и 2/3 хода поршня 31 от электродатчика 35 до электродатчика 37 с целью более равномерного поступления воды в камеру 45 из цилиндров 26.

Остановка двигателя производится компьютером 48 в следующем порядке: по команде компьютера 48 закрываются клапаны 11, 16 и 28 и выключается питание электросвечей 12. Кроме того, в компрессоре 8 закрывается клапан (не показан), пропускающий сжатый воздух из компрессора 8 в баллон 10 по патрубку 9, а также закрывается клапан на трубе, идущей из насоса (не показан) в баллон 17. Эти клапаны самозакрывающиеся для одностороннего направления пропускания воздуха и воды.

Использование: энергетические и транспортные средства. Сущность изобретения: в двигателе внутреннего сгорания имеется автономный компрессор с приводом от индивидуального электромотора, камера сгорания с непрерывным процессом сгорания топлива, рабочий цилиндр с плавающим поршнем. Энергия сгоревшего топлива передается в нагрузку при помощи силового гидропривода, включающего камеру высокого давления, камеру низкого давления, компенсирующую емкость с эластичной перегородкой и управляющие потоком элементы. Камера сгорания и цилиндры снабжены водяными форсунками, а горячие поверхности покрыты термоизоляцией. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ГАЗОПАРОЖИДКОСТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий блок цилиндров с камерами сгорания, цилиндрами и поршнями, систему воздухоснабжения с компрессором, воздуховодами и клапанами, систему выхлопа с клапанами, трубами и газоводом, систему топливоподачи с баллоном для природного газа, трубопроводами и топливной форсункой, систему электрозажигания топливной смеси в камерах сгорания с электросвечами, систему управления работой двигателя, силовой гидропривод для передачи энергии посредством рабочей жидкости от поршней двигателя к выходному валу, снабженный камерой высокого давления, камерой низкого давления, размещенной между ними гидротурбиной и клапанами переключения потока жидкости, отличающийся тем, что, с целью улучшения экологических характеристик, компрессор системы воздухоснабжения выполнен в виде автономного агрегата с приводом от индивидуального электромотора и снабжен баллонами для сжатого воздуха, блок цилиндров содержит три цилиндра, объединенных тремя оголовниками с размещенными в их центральной части камерами сгорания шаровидной формы и снабженными камерами для сжатого природного газа и сжатого воздуха, соединенными с камерой сгорания при помощи трубок равной длины, электросвечи размещены в камере сгорания между отверстиями трубок равной длины, в центре камеры сгорания размещен термоинерционный испаритель, а в верхней части ее установлена форсунка для впрыска воды на поверхность термоинерционного испарителя, в нижней части камера сгорания снабжена выходным отверстием, которое совмещено с отверстием наклонного канала, выполненного в цилиндрическом вкладыше, размещенном под камерой сгорания с возможностью поворота на 120^o и соединения камеры сгорания с любым из трех газоводов, установленных под углом 120^o друг к другу и ведущих к верхней части соответствующего цилиндра, между тремя цилиндрами блока цилиндров размещена цилиндрическая камера с форсунками для впрыска воды в цилиндры, а силовой гидропривод снабжен камерой с эластичной перегородкой, компенсирующей изменение объема рабочей жидкости в камере низкого давления. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочей жидкости используется вода, поршень выполнен в виде плавающего эластичного элемента, размещенного в цилиндре и разделяющего выхлопные газы и воду, а в цилиндре установлены верхний, средний и нижний электродатчики положения поршня. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что клапаны переключения потока жидкости выполнены в виде подпружиненной дверцы, перекрывающей горловину, соединяющую цилиндр с камерой высокого давления рабочей жидкости, и подпружиненной кольцевой перегородки перекрывающей кольцевое отверстие, соединяющее цилиндр с камерой низкого давления рабочей жидкости, при этом верхняя часть кольцевой перегородки имеет утолщение, выполняющее роль кольцевого поршня и входящее в кольцевую камеру цилиндра, а последняя при помощи трубки соединена с газоводом, идущим от камеры сгорания к цилиндру. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поверхности камеры сгорания, наклонного канала вкладыша, газовода, цилиндра и поршня, соприкасающиеся с горячими выхлопными газами, снабжены термоизоляционным покрытием.