ТУРБОПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ КАШЕВАРОВА Российский патент 1994 года по МПК F01B21/04 

Изобретение относится к двигателям объемного вытеснения, предназначенным для любых видов транспорта, а также для любых машин, использующих различные двигатели.

Известен турбопоршневой двигатель, содержащий цилиндропоршневой блок, сообщенный с камерой сгорания и турбиной выходного привода, предтурбинную и затурбинную камеры, клапанно-распределительную и управляющую системы [1].

Недостатком известного двигателя являются низкие технико-экономические и экологические характеристики, связанные с несовершенством средств передачи движения поршней выходному валу, использованием относительно дорогого и токсичного в выхлопе горючего и т.д.

Целью изобретения является повышение технико-экономических и экологических характеристик.

Эта цель достигается тем, что двигатель (1) снабжен емкостями высокого давления для газообразного горючего, воздуха и воды, сообщенными через управляемые клапаны и распределительные элементы с камерами сгорания, а каждый цилиндр блока снабжен средствами для сообщения его подпоршневой полости с предтурбинной камерой и разобщения с затурбинной камерой - при рабочем ходе поршня и сообщения с затурбинной камерой и разобщения с предтурбинной камерой - при встречном подготовительном ходе поршня, причем обе указанные камеры заполнены водой, а затурбинная камера снабжена компенсационной емкостью.

При этом двигатель может быть снабжен компрессором для подачи воздуха в соответствующую емкость высокого давления.

Кроме того, компенсационная емкость может быть снабжена эластичной перегородкой.

В предпочтительном варианте исполнения надпоршневые полости цилиндров блока сообщены газовыводами через управляемые клапаны с выхлопным патрубком и газовводами - с камерой сгорания, снабженной установленным в центре нее теплоинерционным испарителем, форсункой для впрыска воды на испаритель, дополнительными камерами для сжатого газообразного горючего и сжатого воздуха, сообщенными с камерой сгорания трубками, между выходными отверстиями которых установлены свечи зажигания, причем камера сгорания выполнена с выходным отверстием, последовательно совмещаемым с каждым из газовводов посредством профилированного газораспределительного вкладыша, снабженного средством его дискретного вращения, связанным с управляющей системой двигателя.

При этом двигатель может быть снабжен напорной камерой с форсунками для впрыска воды в полости цилиндров над поршнями, совершающими заключительные фазы своего рабочего хода.

Кроме того, каждый поршень может быть выполнен в виде плавающей эластичной перегородки, отделяющей воду в подпоршневой полости от газовой среды в надпоршневой полости цилиндра, управляющая система включает в себя верхний, нижний и средний электрические датчики положения поршня в каждом цилиндре, связанные через соответствующие управляющие цепи с клапанами газовыводов, средством дискретного вращения газораспределительного вкладыша и форсунками напорной камеры, а средства сообщения и разобщения подпоршневых полостей цилиндров блока с предтурбинной и затурбинной камерами выполнены в виде размещенных вблизи торцев цилиндров горловин, кольцевых клапанов для сообщения и разобщения горловин с цилиндрами, а также подпружиненной заслонки с сопротивлением ее открытию в направлении от цилиндра к предтурбинной камере.

Наконец, в описанном двигателе поверхности камеры сгорания, газораспределительного вкладыша, газовводов, цилиндров и поршней, соприкасающиеся с горючими газами, могут быть выполнены с термоизоляционным покрытием.

При этом, двигатель содержит несколько идентичных цилиндропоршневых блоков с камерами сгорания, по одной для каждого блока, общими для всех блоков предтурбинной и затурбинной камерами.

Кроме того, выхлопные патрубки всех цилиндропоршневых блоков могут быть сообщены с общим для всех блоков выхлопным патрубком.

На фиг. 1 изображен общий вид двигателя сверху; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - сечение В-В на фиг.2; на фиг. 5 - сечение Г-Г на фиг.3; на фиг.6 - сечение А-А на фиг.1 части двигателя в более крупном масштабе по сравнению с фиг.1.

Водно-газовый двигатель (в.г.д.) имеет три камеры сгорания 1, каждая из которых обеспечивает работу плавающих эластичных поршней 2 в трех цилиндрах 3. В свою очередь все девять цилиндров 3 обеспечивают работу гидротурбины 4, установленной между камерами 5 и 6 соответственно высокого и низкого давления воды. Вода в камеру 5 высокого давления подается попеременно из всех цилиндров 3, давлением выхлопных газов на плавающий поршень 2 в этих цилиндрах. Далее вода, пройдя через гидротурбину 4, проходит в камеру 6 низкого давления для заполнения тех цилиндров 3, в которых закончился рабочий ход поршня вниз и началось движение поршня вверх с заполнением цилиндра водой и удалением выхлопных газов. Вращение вала 7 гидротурбины 4 используется в соответствующей машине, например, в транспортной машине или в передвижной электростанции, как источник механической энергии, и для вращения компрессора 8 и электрогенератора 9 через редуктор 10, необходимых для обеспечения работы в.г.д. сжатым воздухом и электроэнергией.

Камера сгорания 1 размещена в центральной части головки 11 блока, объединяющего верхние части трех цилиндров 3. В оголовнике 12 вокруг камеры 1 расположены камеры 13 и 14 соответственно центральная и кольцевая для сжатого воздуха, который подается от компрессора 8 или из баллона со сжатым воздухом (на фиг. не показан) по патрубку 15, перекрытому клапаном 16, и кольцевая камера 17 для сжатого природного газа, который подается по трубе 18, перекрытой клапаном 19, из баллона 20. Камеры 13, 14 и 17 соединены трубками 21 с камерой сгорания 1. В камере сгорания 1 установлены теплоинерционный испаритель 22 и электросвечи 23 с проводкой 24, идущей через компьютер 25 к источнику тока (на фиг. не показан).

Под камерой 1 в цилиндрической выемке блока цилиндров установлен цилиндрический вкладыш 26, наклонный канал 27 которого соединяет камеру сгорания 1 с одним из трех газоводов 28, идущих к верхней части одного из трех цилиндров 3 головки 11 блока. Вкладыш 26 может быть повернут вокруг своей вертикальной оси на угол 120^о для переключения наклонного канала 27 на смежный газовод 28 к смежному цилиндру 3. Вращение вкладыша 26 производится с помощью конической шестерни 29, находящейся в зацеплении с коническими шестернями вкладыша 26 и опорного подшипника 30, воспринимающего через шестерню 29 давление газов на вкладыш 26. Коническая шестерня 29 соединена валом 31 с электродвигателем 32.

В головке 11 блока цилиндров установлены трубы 33 выхлопных газов, перекрытые клапанами 34, а в цилиндре установлен электродатчик 35, фиксирующий верхнее положение поршня 2. От центральной части головки 11 блока цилиндров 3 вниз отходит цилиндрическая камера 36, установленная между тремя смежными цилиндрами 3 головки 11 блока цилиндров. Цилиндрическая камера 36 соединена трубкой 37 с баллоном 38 высокого давления воды, вода в которой подается насосом 39 по трубе 40 из бака 41.

На боковой поверхности цилиндра установлен электродатчик 42, фиксирующий прохождение поршня 2 при его движении вниз.

На уровне датчика 42 установлена форсунка 43 впрыска воды из цилиндрической камеры 36 в цилиндр 3.

В верхней части камеры сгорания 1 установлена форсунка 44 для впрыска воды в камеру 1, соединенная с баллоном 38 трубой 45, перекрытой клапаном 46.

Поверхности камеры сгорания 1, а также наклонного канала 27 вкладыша 26, газовода 28, поршня 2 и цилиндра 3, соприкасающиеся с горячими выхлопными газами, имеют термоизоляционное покрытие 47, изображенное на фиг.6 крестообразной штриховкой.

В нижней части цилиндра 3 установлен подвижный кольцевой клапан 48, перекрывающий кольцевое отверстие, соединяющее цилиндр 3 с камерой 6 низкого давления воды при движении поршня 2 вниз.

При движении поршня 2 вверх под давлением воды в камере 6 кольцевой клапан 48 поднимается и открывает кольцевое отверстие между нижней поверхностью клапана 48 и центральной горловиной 49, соединяющей цилиндр 3 с камерой 5 высокого давления воды. При этом горловина 49 перекрыта пружинной дверцей 50. Движение кольцевого клапана 48 ограничено кольцевым цилиндром 3, над которым установлен электродатчик 51, фиксирующий прохождение мимо него поршня 2 при его движении вниз.

Для компенсации изменения объема воды в камере 6 во время работы двигателя нижняя часть центральной камеры 52, расположенной между тремя блоками 11 цилиндров, перекрыта чашкообразной эластичной оболочкой 53, над которой находится сжатый воздух под давлением в 2-3 кг/см³, а под которой находится вода в камере 6. На фиг.2 сплошной линией показано положение оболочки 53 при минимальном объеме воды в камере 6, а пунктирной линией - при максимально возможном объеме воды в камере 6.

Управление работой двигателя производится при помощи компьютера 25, в котором предусмотрены программы "пуск", "работа" и "остановка".

По программе "пуск" из баллона со сжатым воздухом, открытием клапана баллона и клапана 15 производится подача сжатого до 50 кг/см³ воздуха в камеры 13 и 14 и одновременно, открытием клапана 19 производится подача природного газа (через редуктор, понижающий давление до 50 кг/см) в камеру 17. После этого через сотые доли секунды периодически включаются электросвечи 23 в электросеть, формирующей электроимпульсы соответствующих параметров. К моменту включения электросвечей камера сгорания 1 заполнится топливной смесью из камер 13, 14 и 17 через трубки 21 и воспламениться от одной из первых искр электросвечей. По-видимому, запуск двигателя займет не более 2 с времени. В конце запуска вода, поступающая из цилиндров в камеру 5 и далее в гидротурбину 4, раскрутит ее до такой скорости, при которой компрессор 8 сможет заменить баллон со сжатым воздухом поставкой сжатого воздуха в камеры 13, 14, а электрогенератор обеспечит подачу тока всем его потребителям взамен ранее использованного аккумулятора, как источника тока. С этого момента программа "пуск" считается выполненной и дальнейшее действие двигателя реализуется компьютером 25 по программе "работа".

По этой программе двигатель может работать в автоматическом режиме без участия оператора или с участием оператора, который, изменяя положение ручки управления, может изменять мощность работы двигателя.

Работа двигателя в установившемся режиме после очередного воспламенения топливной смеси в камере 1 от электросвечи 23 производится в следующем порядке. При воспламенении топливной смеси давление в камере 1 поднимается с 50 до 300-400 кг/см², а температура - с 200-300 до 2000^оС. В этот момент почти все газы устремятся из камеры 1 через канал 27 вкладыша 26 в газовод 28 и далее в пространство цилиндра 3 над поршнем 2.

Некоторая часть газов войдет в трубки 21, вытесняя из них сжатый воздух в камеры 13 и 14 и природный газ в камеру 17. Так как в эти камеры будет продолжаться поставка сжатого воздуха и природного газа, в силу инерционности этого процесса, то давление в них начнет возрастать и может достигнуть 60-70 кг/см². Одновременно в камере 1 также в силу инерционности процесса выхода газов в газовод 28, давление за тысячные доли секунды упадет ниже 200 кг/см². В этот момент по команде компьютера открывается клапан 46 и из баллона 38, в котором давление поддерживается насосом 39 на уровне 200 кг/см² +20 кг/см², порция воды через форсунку 44 впрыскивается на теплоинерционный испаритель 22.

Вода, введенная форсункой 44 в камеру 1, испарится, снизив температуру выхлопных газов, перемешавшихся с паром, до 300-400^оС и, задержав на тысячные доли секунды повышенное давление выхлопных газов и пара, тем самым увеличит КПД двигателя. При снижении давления в камере 1 до 80-60 кг/см² клапан 46 по команде компьютера 25 закрывается. При дальнейшем снижении давления в камере 1 до 50-40 кг/см², в силу инерционности движения парогазовой смеси в газоводе 28, давление в камерах 13, 14 и 17 остановит движение выхлопных газов в трубках 21, а затем вытолкнет их обратно в камеру 1 и камера 1 заполнится новой порцией сжатого воздуха и природного газа, давление которых поднимается до 50 кг/см², т.к. выхлопные газы с перегретым паром будут остановлены в газоводе 28 давлением ранее поступивших выхлопных газов и пара в цилиндр 3. В камере 1, заполненной топливной смесью при давлении в 50 кг/см² и температуре 200-300^оС (а возможно и меньше), произойдет очередное воспламенение топливной смеси от искры электросвечи, включенной компьютером в момент, заранее определенный расчетным или опытным путем и, зафиксированный в программе "работа". Начнется новый цикл работы камеры 1.

Таким образом процесс работы камеры 1 происходит в ритме вынужденных колебаний, частота и амплитуда которых определяется компьютером 25 в соответствии с заложенной в него программой и положением рычага мощности двигателя на компьютере 25, устанавливаемого оператором.

Под давлением выхлопных газов и пара, поступающих в цилиндр 3, поршень 2 идет вниз, вытесняя воду давлением в 50 кг/см², через горловину 49 в камеру 5 и далее в турбину 4. Вода, пройдя через турбину 4, отдает ей свою механическую энергию, которая через вал 7 поступает машине-потребителю этой кинетической энергии вращения вала 7.

Поршень 2 при своем движении вниз заденет электродатчик 42 и по электросигналу этого датчика компьютер 25 включит форсунку 43, через которую в цилиндр 3 над поршнем 2 поступит порция воды, достаточная, чтобы при ее испарении температура выхлопных газов снизилась бы до 150^оС, а поршень при конечном давлении в 2-3 кг/см² дошел бы до электродатчика 51. По сигналу датчика 51 компьютер 25 откроет клапан 34 трубы 33 выхлопных газов, давление в цилиндре упадет до атмосферного, дверца 50 захлопнется под воздействием своей пружины и давления воды в камере 5, давление воды в камере 6 поднимет кольцевой клапан 48 вверх до упора, и в цилиндр 3 из камеры 6 начнет поступать вода, поднимая поршень 2 и вытесняя выхлопные газы и пар в трубу 33.

За время движения поршня вниз по сигналу датчика 42 компьютера одновременно с включением форсунки 43, включает также шаговый электродвигатель 32 "на один его шаг" для поворота вкладыша 26 на 120^о, в результате чего выхлопные газы, образующиеся в камере 1, устремятся через наклонный канал 27 вкладыша 26 во второй газовод 28 второго цилиндра 3, уже заполненного к этому моменту водой, и в этом цилиндре 3 поршень 2 начнет свой рабочий ход вниз.

Во время движения поршня 2 вниз во втором цилиндре поршень 2 заденет датчик 42 второго цилиндра 3, по сигналу этого датчика компьютер 25 включит шаговый электродвигатель 32 еще "на один шаг" поворота вкладыша на 120^о для переключения выхлопных газов, выходящих из камеры 1, в третий цилиндр 3, который к этому моменту времени будет уже заполнен водой.

При движении вверх поршня в первом цилиндре он коснется в крайнем верхнем положении электродатчика 35, по сигналу которого компьютер 25 закроет клапан 34 выхлопной трубы 33. К этому моменту поршень 2 третьего цилиндра коснется электродатчика 42 и по его сигналу компьютер 25 включит шаговый электродвигатель 32 еще "на один шаг" поворота вкладыша 26 на 120^о для подачи газов из камеры 1 в первый цилиндр. Этим шагом завершается поворот вкладыша 26 на 360^о и тем самым завершается один этап работы одного из трех блоков 11 цилиндров 3. Аналогично проходит работа двух других блоков 11 цилиндров 3, но начало работы каждого из блоков сдвинуто по времени на 1/3 времени рабочего хода поршня 2 до датчика 35 до датчика 42.

Во время работы двигателя вода из камеры 6 в цилиндры 3 поступает неравномерно. Для компенсации изменяющегося объема воды в камере 6 предусмотрена эластичная перегородка 53 между камерами 6 и 52, которая может перемещаться в камере 52 в определенных границах, вполне обеспечивающих изменение объема воды в камере 6.

По программе "остановка" двигателя компьютер 25 закрывает клапаны 19 и 16 подачи природного газа и воздуха в камеру сгорания и прекращает работу свечей зажигания, при этом работающий компрессор подает воздух в баллон со сжатым воздухом, а работающий электрогенератор гидротурбины (2-3 с) в результате снижения давления в камере 5 до 2 кг/см² открывается клапан 34 для выпуска выхлопных газов через трубу 33.

Использование: различные виды транспортных средств, приводы машин и механизмов. Сущность изобретения: двигатель содержит камеру сгорания, куда подаются под высоким давлением горючий газ, воздух и вода, продукты сгорания и испарения которых последовательно поступают через газораспределительный вкладыш, вращаемый шаговым приводом в надпоршневые полости цилиндров; вытесняемая вода, перетекая из предтурбинной в затурбинную камеру, вращает турбину выходного привода двигателя, при этом выхлопные газы из цилиндров, разобщенных с камерой сгорания, вытесняются через открытые клапаны в выхлопные магистрали; вода из камеры, открывая кольцевые клапаны, заполняет подпоршневые полости этих цилиндров, подготовляя их к рабочему такту. Для охлаждения выхлопных газов и поддержания падающего давления в конце рабочего хода поршня в полость над ним впрыскивается порция воды через форсунку. Работой клапанно-распределительной и зажигательно-испарительной (в камере сгорания) систем двигателя может управлять компьютер, используя, в частности, сигналы с верхнего, среднего и нижнего датчиков перемещения поршня. 8 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Турбопоршневой двигатель, содержащий цилиндропоршневой блок, сообщенный с камерой сгорания и турбиной выходного привода, предтурбинную и затурбинную камеры, клапанно-распределительную и управляющую системы, отличающийся тем, что, с целью повышения технико-экономических и экологических характеристик, он снабжен емкостями высокого давления для газообразного горючего, воздуха и воды, сообщенными через управляемые клапаны и распределительные элементы с камерами сгорания, а каждый цилиндр блока снабжен средствами для сообщения его подпоршневой полости с предтурбинной камерой и разобщения с затурбинной камерой при рабочем ходе поршня и сообщения с затурбинной камерой и разобщения с предтурбинной камерой при встречном подготовительном ходе поршня, причем обе указанные камеры заполнены водой, а затурбинная камера снабжена компенсационной емкостью. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что снабжен компрессором для подачи воздуха в соответствующую емкость высокого давления. 3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что компенсационная емкость снабжена эластичной перегородкой. 4. Двигатель по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что надпоршневые полости цилиндров блока сообщены газовыводами через управляемые клапаны с выхлопным патрубком и газовводами - с камерой сгорания, снабженной установленным в центре нее теплоинерционным испарителем, форсункой для впрыска воды на испаритель, дополнительными камерками для сжатого газообразного горючего и сжатого воздуха, сообщенными с камерой сгорания трубками, между выходными отверстиями которых установлены свечи зажигания, причем камера сгорания выполнена с выходным отверстием, последовательно совмещаемым с каждым из газовводов посредством профилированного газораспределительного вкладыша, снабженного средством его дискретного вращения, связанным с управляющей системой двигателя. 5. Двигатель по пп.1 и 4, отличающийся тем, что снабжен напорной камерой с форсунками для впрыска воды в полости цилиндров над поршнями, совершающими заключительные фазы своего рабочего хода. 6. Двигатель по любому из пп. 1 - 5, отличающийся тем, что каждый поршень выполнен в виде плавающей эластичной перегородки, отделяющей воду в подпоршневой полости от газовой среды в надпоршневой полости цилиндра, управляющая система включает в себя верхний, нижний и средний электрические датчики положения поршня в каждом цилиндре, связанные через соответствующие управляющие цепи с клапанами газовыводов, средством дискретного вращения газораспределительного вкладыша и форсунками напорной камеры, а средства сообщения и разобщения подпоршневых полостей цилиндров блока с предтурбинной и затурбинной камерами выполнены в виде размещенных вблизи торцов цилиндров горловин, кольцевых клапанов для сообщения и разобщения горловин с цилиндрами, а также подпружиненной заслонки с сопротивлением ее открытию в направлении от цилиндра к предтурбинной камере. 7. Двигатель по п.1 и любому из пп.4 - 6, отличающийся тем, что поверхности камеры сгорания, газораспределительного вкладыша, газовводов, цилиндров и поршней, соприкасающиеся с горячими газами, выполнены с термоизоляционным покрытием. 8. Двигатель по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что содержит несколько идентичных цилиндропоршневых блоков с камерами сгорания, по одной для каждого блока, общими для всех блоков предтурбинной и затурбинной камерами. 9. Двигатель по п.1 любому из пп.4 - 7 и п.8, отличающийся тем, что выхлопные патрубки всех цилиндропоршневых блоков сообщены с общим для всех блоков выхлопным патрубком.