ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТОРОИДАЛЬНЫМ ЦИЛИНДРОМ Российский патент 1994 года по МПК F04C2/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.

Известна поршневая машина, содержащая корпус с тороидальной камерой и патрубками подвода и отвода агента, поршни, установленные на соосных валах, имеющих пальцы эксцентрично и параллельно оси вращения выходного вала, жестко закрепленные на этих валах, при этом поршни размещены в камере с образованием рабочих камер, выходной вал с механизмом неравномерного вращения поршней, включающий жестко связанное с выходным валом водило и закрепленное на последнем с возможностью взаимодействия между собой зубчатые элементы, выполненные в виде секторов с направляющими пазами, кинематически связанные с соосными валами, и устройство принудительного поворота зубчатого элемента.

Недостатком поршневой машины является то, что при неравномерном перемещении поршней возникают силы инерции, создающие колебательные движения, вызывающие нарушение плотности соединения отдельных частей машины, а значит малую эксплуатационную надежность.

Наиболее близким к изобретению является известный двигатель с тороидальным цилиндром, составленный из расширительной машины и компрессора, которые по конструкции идентичны и каждый агрегат содержит корпус, общий вал отбора мощности, ротор, закрепленный на валу отбора мощности, поршень, взаимосвязанный с ротором, тороидальный цилиндр, в кольцевом пространстве которого перемещается поршень, поворотную стенку, периодически перегораживающую тороидальный цилиндр, при этом поворотная стенка по форме диска, выходящего за пределы тороидального цилиндра, и диск имеют фигурный вырез для прохода поршнем места установки диска и привод поворотной стенки, причем в тороидальном цилиндре расширительной машины установлена свеча зажигания горючей смеси, а в обоих агрегатах выполнены впускное и выпускное окна и выпускное окно компрессора соединено с впускным окном расширительной машины посредством канала, в котором установлены золотники.

Горючая смесь поступает в компрессор, сжимается при перегороженном цилиндре, потом по каналу поступает в расширительную машину тогда, когда ее тороидальный цилиндр перегорожен. Свеча зажигает горючую смесь и расширяющиеся продукты сгорания перемещают поршень до выпускного окна, через которое отработавшие продукты выходят в атмосферу.

Недостатком этого двигателя является то, что выступающие за габариты тороидального цилиндра поворотные стенки в виде дисков увеличивают общий габарит двигателя, а во время работы вследствие непрерывного движения поршня только в одном направлении постоянно увеличивается объем камеры сгорания при заполнении ее горючей смесью, так и при сгорании этой смеси и за счет этого создаются плохие условия для термодинамического процесса, сопровождающиеся повышением токсичности отработавших продуктов и высоким уровнем аэродинамического шума.

Целью изобретения является уменьшение габаритов двигателя, снижение количества выброса вредных токсических веществ с отработавшими продуктами и снижение их уровня аэродинамического шума.

Это достигается тем, что поворотная стенка, установленная внутри рабочей полости тороидального цилиндра, выполнена в форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой, снабженной двухступенчатыми цапфами, установленными в боковых стенках тороидального цилиндра с возможностью поворота посредством кривошипа, установленного на одной из цапф и под действием кулачка, закрепленного на валу отбора мощности двигателя, в положение, обеспечивающее свободный проход поршня, а под действием пружины - поворот в положение, обеспечивающее разделение тороидального цилиндра на камеру расширения и полость выпуска. На цилиндрической части поворотной стенки выполнены проточки, в которых на днище установлены уплотнительные кольца. Днище поршня выполнено по форме клина и снабжено тепловыми аккумуляторами, напротив которых в тороидальном цилиндре установлены распылители воды, соединенные через запорный кран и подпружиненный клапан с бачком избыточного давления. Впускное окно тороидального цилиндра посредством дискового золотника сообщено с парогенератором, а между золотником и парогенератором установлено уплотнительное устройство, включающее подпружиненный барабан, взаимодействующий дном с дисковым золотником и имеющий на цилиндрической части проточки для установки уплотнительных колец, а также закрепленный на трубе парогенератора раструб, охватывающий цилиндрическойт поверхностью уплотнительные кольца барабана.

Выпускное окно тороидального цилиндра посредством трубопровода сообщено с конденсатором пара, расположенным напротив вентилятора, при этом конденсатор снабжен водосборником и насосом, подключенными через фильтр к основному водяному баку, сообщенному посредством нагнетательного насоса с бачком избыточного давления.

Количество пара, поступающего в двигатель, изменяется краном подачи воды к распылителям двигателя и парогенератора, а также реостатом, регулирующим ток к тепловым аккумуляторам.

На фиг.1 показан вид снизу парового двигателя с тороидальным цилиндром со всеми приборами, обеспечивающими его работу; на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 - узел I на фиг.1; на фиг.4 - узел II на фиг.1; на фиг.5 - узел III на фиг.2; на фиг.6 - прямоугольная изометрическая проекция поворотной стенки в форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой.

Паровой двигатель с тороидальным цилиндром устроен следующим образом.

Корпус двигателя составлен из главного диска с внутренним приливом 1 для подшипников вала 2 отбора мощности и с наружным приливом 3, к которому крепится кольцо 4, а к последнему прикреплен съемный диск 5, имеющий внутренний прилив для подшипников вала 2. В наружном приливе 3 главного диска и в кольце 4 выполнена рабочая полость тороидального цилиндра 6.

Такая конструкция корпуса двигателя необходима для того, чтобы удобно было производить обработку рабочей поверхности внутри тороидального цилиндра 6, а также можно было бы установить внутрь цилиндра ряд деталей, например поворотную стенку 7, выполненную по форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой, снабженной двухступенчатыми цапфами 8. При этом ось вращения цапф 8 перекрещивается с продольной осью тороидального цилиндра, а профилированная выемка удалена от оси вращения цапф 8 на величину, равную половине диаметра сечения тора.

Цапфы 8 опираются на втулки, запрессованные в боковые отверстия тороидального цилиндра 6. Оси цапф немного не совпадают с осевой линией тороидального цилиндра. Это выполнено для того, чтобы после перегораживания цилиндра поворотная стенка 7 под давлением пара оставалась в необходимом положении. Кроме того, достигается плотное прилегание поворотной стенки к тороидальному цилиндру.

На цилиндрической части каждой поворотной стенки 7, т.е. на той части, которая прилегает к рабочей поверхности тороидального цилиндра, выполнены проточки для уплотнительных колец 9, а на днище этой части закреплены кольцевой гайкой с внутренним выступом тепловые аккумуляторы 10 и каждый из них содержит керамические электроизоляторы 11, в которых выполнены проходы для электронагревательного элемента 12 и кожух 13, охватывающий керамические электроизоляторы так, чтобы он не допускал попадание воды на электроизоляторы. Кожух 13 изготовлен из высокотеплопроводного неподвергающегося окислению от контакта с водой материала. Наиболее приемлемым является серебро.

Одна из цапф поворотной стенки имеет кривошип 14, взаимосвязанный со штангой 15, которую в исходном положении удерживает возвратная пружина 16. Штанга 15 взаимодействует с толкателем 17, на который периодически воздействует кулачок 18, закрепленный на валу 2. Посредством кулачка 18 и толкателя 17 с его штангой 15 поворотная стенка 7 может занимать одно из двух положений: горизонтальное, при котором профилированная поверхность поворотной стенки сливается с поверхностью цилиндра, образуя непрерывную цилиндрическую поверхность, и вертикальное, при котором тороидальный цилиндр разделяется на две полости - камеру расширения 19 и полость выпуска 20.

В тороидальном цилиндре 6 перемещаются два поршня 21, взаимосвязанные с ротором 22, имеющим на его цилиндрической части кольцевой выступ, входящий в пространство между приливом 3 главного диска и кольца 4. Поршни 21 крепятся к кольцевому выступу ротора посредством соединительного элемента 23 по форме топора и пальца 24, ввернутого в поршень 21, после чего палец 24 стопорится пружинным кольцом. Соединительный элемент 23 запрессован в кольцевой выступ ротора 22 и прикреплен к нему. Днище 25 каждого поршня 21 выполнено по форме клина с целью получить наименьший первоначальный объем камеры расширения 19, образующейся между днищем поршня и поворотной стенкой 7. На днище 25 установлены тепловые аккумуляторы 10 такие же как на поворотной стенке 7. На цилиндрической части поршня 21 выполнен кольцевой выступ и ниже его обработанная цилиндрическая поверхность, на которой установлен пакет уплотнительных колец 26. Грузик 27, поворачивающийся на оси от центробежных сил, хвостовиком через упорную пластину прижимает пакет колец 26 к кольцевому выступу поршня, не допуская перемещение колец от действия центробежных сил, предотвращая ускоренный их износ.

Цилиндрическая часть вращающегося ротора 22 и неподвижная внутренняя цилиндрическая поверхность, выполненная под тороидальным цилиндром 6, уплотнены следующим образом. На боковые поверхности кольцевого выступа ротора 22 наложен или установлен материал, подобный эластомеру. По обе стороны от кольцевого выступа на цилиндрической части ротора 22 выполнены кольцевые проточки для колец 28, которые, взаимодействуя с цилиндрической поверхностью под тороидальным цилиндром, не допускают выход пара из рабочей полости тороидального цилиндра в атмосферу. Эту роль выполняет также уплотнительный материал, подобный эластомеру, наложенный на боковые части кольцевого выступа ротора 22, и соприкасающиеся с ним стенки прилива 3 главного диска и кольца 4.

В камере расширения 19, вблизи поворотной стенки 7, установлены распылители 29, дробящие воду на мелкие капли, выбрасываемые на тепловые аккумуляторы 10 поворотной стенки 7 и днища 25 поршней 21. Вода к распылителям подводится из закрытого со всех сторон бачка 30 с избыточным давлением. Бачок 30 сообщен с распылителями 29 через водяной запорный кран 31 и подпружиненный клапан 32, взаимосвязанный с коромыслом 33, второй конец которого соединен со стойкой 34. Средняя часть коромысла шарнирно взаимосвязана с подпружиненной штангой 35, взаимодействующей с толкателем 36, который получает движение от кулачка, закрепленного на валу 2 отбора мощности.

В бачке 30 создается постоянно избыточное давление нагнетательным насосом 37, забирающим воду из основного бака 38, закрытого пробкой.

Рядом с тороидальным цилиндром 6 установлены парогенераторы 39, из которых через окна 40 по трубам 41 поступает пар в тороидальный цилиндр 6.

Для предотвращения утечки пара между тороидальным цилиндром 6 и каждым парогенератором 39 установлено уплотнительное устройство, содержащее подпружиненный барабан 42, взаимодействующий дном с дисковым золотником 43, закрепленным на валу 2 отбора мощности, и раструб 44 с обработанной внутренней поверхностью, которой он взаимодействует с уплотнительными кольцами 45, установленными в проточках барабана 42. Раструб 44 навинчен на трубу 41, прикрепленную к парогенератору 39, и законтрагаен. В подпружиненном барабане 42 выполнен круглый канал, а в золотнике 43 - канал по форме эллипса.

В парогенераторах 39 использован эффект мгновенного испарения воды, выбрасываемой на высоко разогретые тепловые аккумуляторы, выполненные в виде колец, закрепленных внутри парогенератора. При этом вода выбрасывается мелкими каплями из форсунок, закрепленных на заглушенной с одного конца трубки, установленной на оси паровой камеры парогенератора с возможностью вращения с постоянной скоростью, а второй конец этой трубки сообщен через водяной кран 31 с бачком 30 избыточного давления. Тепловые аккумуляторы 10 поворотных стенок 7 и днищ 25 поршней 21, а также парогенераторов 39 питаются током от электрогенератора 46.

Электрический ток от электрогенератора 46 через токосъемное кольцо на валу 2 (не показано) поступает к тепловым аккумуляторам днищ 25 поршней 21 по проводам, проложенным в сверлениях 47 ротора 22 и сверлениях в поршне 21. К тепловым аккумуляторам поворотных стенок 7 ток поступает по проводам, проложенным в сверлениях 48 и 49 в поворотных стенках. К парогенераторам 39 ток подводится по отдельным проводам.

Отработавший пар из тороидального цилиндра через выпускное окно 50 (их два в тороидальном цилиндре) и по трубам 51 отводится в конденсатор 52 в виде радиатора, охлаждаемого вентилятором 53.

Водяной конденсат накапливается в водосборнике 54, откуда по трубе 55 и очиститель 56, очищающий воду от масла и механических примесей, откачивается насосом 57 в основной водяной бак 38.

Составной корпус тороидального цилиндра, электрогенератор 46 и конденсатор 52 крепятся на раме транспортного средства через упругие элементы болтами, ввинченными в бобышки 58, которые имеют указанные агрегаты, а парогенераторы 39 крепятся к корпусу двигателя к его кольцу 3 главного диска скобой 59. Двигатель закрыт кожухом 60.

Для выпуска конденсата из парогенераторов 39 предусмотрен краник 61, соединенный трубкой 62 с водосборником 54.

Работает паровой двигатель с тороидальным цилиндром следующим образом.

В двигателях внутреннего сгорания для перемещения поршня в цилиндре двигателя используют эффект взрыва, возникающего от мгновенного сгорания топливовоздушной смеси. В предлагаемом паровом двигателе также для перемещения поршня в тороидальном цилиндре используется эффект взрыва, возникающий от мгновенного испарения мелких капель воды, попадающей на высокоразогретую поверхность тепловых аккумуляторов.

Для нормальной работы парового двигателя с тороидальным цилиндром необходимо применять дождевую воду, хорошо очищенную от минеральных и механических примесей, а еще лучше - дистиллированную воду.

После выпуска конденсата из парогенераторов краником 61, током от батарей аккумуляторов, заряжаемых электрогенератором 46, разогревают тепловые аккумуляторы парогенераторов 39 и несколько позже поворотных стенок 7 и днищ 25 поршней 21. Затем включают механизм вращения в парогенераторе 39 центральной трубки с распылителями, открывают запорный кран 31, соединяющий бачок 30 избыточного давления с распылителями парогенераторов 39 и подпружиненным клапаном 32.

Когда по показаниям манометров в парогенераторах давление пара достигнет нормальной величины, тогда поворачивают ротор 22 в направлении, соответствующем вращению его при работе двигателя, и если поршни прошли место установки поворотных стенок 7, последние под действием штанг 15, опускаемых пружинами 16, займут положение, при котором перегородят тороидальный цилиндр 6, образуя между каждой поворотной стенкой 7 и каждым днищем 25 поршней 21 начальную камеру расширения малого объема, а по другую сторону поршня 21 - полость выпуска 20. В этот момент или немного раньше на очень малый промежуток времени для каждой половины двигателя кулачок на валу 2 отбора мощности набегает на толкатель 36, с помощью штанги 35 и коромысла 33 открывается клапан 32 на короткое время. Вода из бачка 30 избыточного давления через запорный кран 31 и клапан 32 через распылители 29 выбрасывается мелкими каплями на тепловые аккумуляторы 10 поворотных стенок 7 и днищ 25 поршней 21. Образовавшийся пар толкает поршни. Подача воды к клапану 32 прекращается, но в это время золотник 43 сообщает на небольшой промежуток времени впускное окно 40 тороидального цилиндра с парогенератором 39, из которого пар поступает в камеру расширения 19. Дополнительный пар воздействует на поршни 21 и перемещает их. Поршни 21, взаимосвязанные с ротором 22, заставляют его вращаться, а ротор 22 заставляет вращаться вал 2 отбора мощности, т.е. на выходном конце вала 2 отбора мощности можно получить полезную работу.

Длительность открытого положения золотника 43 надо определить опытным путем.

Расширяющийся пар толкает поршни 21 до выпускных окон 50 и его давление снижается до давления, близкого к атмосферному. Это возможно лишь потому, что сила давления пара на поршни 21 действует на большом плече, равном среднему диаметру кольца тороидального цилиндра, поэтому даже при малом удельном давлении пара можно получить довольно большой крутящий момент, что говорит о том, что при малых габаритах двигатель имеет большую мощность.

Отработавший пар из полости выпуска 20 выходит под собственным давлением, а потом под действием тыльной стороны поршня 21 и по трубе 51 поступает в конденсаторы 52, где по трубкам конденсатора растекается на отдельные струи, охлаждаемые вентилятором 53, и преобразуются в воду, накапливающуюся в водосборнике 54. Из водосборника 54 вода насосом 57 откачивается в основной водяной бак 38, а из него нагнетательным насосом 37 нагнетается в бачок 30, из которого поступает вновь к распылителям 29, откуда мелкими каплями падает на разогретые тепловые аккумуляторы 10 поворотных стенок 7, днищ 25 поршней 21 и парогенераторов 39.

Поворотные стенки 7 поворачиваются в одно из положений за время поворота ротора на 30^о или 1/12 его поворота. Это время зависит от частоты вращения вала 2 двигателя. Так, например, при частоте вращения вала, равном 1000 об/мин время поворота стенки 7 равно 0,005 с; при 1500 об/мин - 0,003 с; при 2000 об/мин - 0,0025 с.

Если сравнить время одного хода поршня в двигателе с кривошипно-шатунным механизмом, это будет выглядеть так: при частоте вращения вала двигателя 6000 об/мин время перемещения поршня за один ход равно 0,005 с, а при частоте вращения 13000 об/мин - 0,0025 с, т.е. возможность применения поворотной стенки внутри тороидального цилиндра доказана. В Японии на гоночном автомобиле установлен двигатель с кривошипно-шатунным механизмом, вал которого имеет частоту вращения 13000 об/мин (см. журнал "Автомобильная промышленность США", 1989, N 6, с.32). В Японии был построен опытный двигатель с дисковым золотником. Частота вращения вала этого опытного двигателя 20000 об/мин.

Для смазки цапф поворотных стенок к ним можно подводить масло по трубкам, а для смазки поршневых колец к ним масло можно подводить через осевое сверление в вале 2, а потом по трубкам или сверлениям в роторе и поршнях. Большое и постоянное по величине плечо действия силы давления пара на поршень позволяет получить большой по величине крутящий момент, а, значит, при малых габаритах двигателя от него можно получить большую мощность. Незначительные потери тепла на образование пара позволит значительно повысить КПД парового двигателя. Это возможно также за счет того, что поршень движется только в одном направлении, а при этом возможно расширять пар до давления, приближающегося к атмосферному. Выпуск отработавшего пара при низком давлении по трубопроводу в конденсатор пара позволяет резко снизить токсичность и аэродинамический шум двигателя.

Замкнутый цикл от начала получения пара с помощью электрической энергии до превращения отработавшего пара в воду, которая вновь поступает в двигатель для образования пара, значительно улучшает окружающую нас экологическую среду.

Использование: в машиностроении. Сущность изобретения: поворотная стенка с приводом установлена с возможностью периодического перекрытия цилиндра и выполнена в форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой, снабженной двухступенчатыми цапфами. Цапфы установлены в боковых стенках тороидального цилиндра с возможностью поворота посредством кривошипа, установленного на одной из цапф, и под действием кулачка, закрепленного на валу отбора мощности двигателя, в положение, обеспечивающее свободный проход поршня, под действием пружины - поворот в положение, обеспечивающее разделение цилиндра на камеру расширения и полость выпуска. Днище поршня выполнено в форме клина и снабжено тепловыми аккумуляторами, напротив которых в цилиндре установлены распылители воды. Впускное окно цилиндра дисковым золотником сообщено с парогенератором. Между золотником и парогенератором установлено уплотнительное устройство. Устройство содержит подпружиненный барабан, закрепленный на трубе парогенератора раструб. Выпускное окно цилиндра сообщено с конденсатором пара, расположенным напротив вентилятора. 6 ил.

ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТОРОИДАЛЬНЫМ ЦИЛИНДРОМ, содержащий корпус, вал отбора мощности, ротор, закрепленный на валу, поршень, взаимосвязанный с ротором, тороидальный цилиндр с впускным и выпускным окнами, поворотную стенку, установленную с возможностью периодического перекрытия цилиндра, и привод поворотной стенки, отличающийся тем, что поворотная стенка выполнена в форме цилиндрической заслонки с профилированной выемкой, снабженной двухступенчатыми цапфами, установленными в боковых стенках тороидального цилиндра с возможностью поворота посредством кривошипа, установленного на одной из цапф, и под действием кулачка, закрепленного на валу отбора мощности двигателя, в положение, обеспечивающее свободный проход поршня, а под действием пружины - поворот в положение, обеспечивающее разделение тороидального цилиндра на камеру расширения и полость выпуска, на цилиндрической части поворотной стенки выполнены проточки, в которых на днище установлены уплотнительные кольца, а днище поршня выполнено в форме клина и снабжено тепловыми аккумуляторами, напротив которых в тороидальном цилиндре установлены распылители воды, соединенные через запорный кран с бачком избыточного давления, причем впускное окно тороидального цилиндра посредством дискового золотника сообщено с парогенератором, а между золотником и парогенератором установлено уплотнительное устройство, включающее подпружиненный барабан, взаимодействующий дном с дисковым золотником и имеющий на цилиндрической части проточки для установки уплотнительных колец, а также закрепленный на трубе парогенератора раструб, охватывающий цилиндрической поверхностью уплотнительные кольца барабана, выпускное окно тороидального цилиндра посредством трубопровода сообщено с конденсатором пара, расположенным напротив вентилятора, при этом конденсатор снабжен водосборником и насосом, подключенным через фильтр к основному водяному баку, сообщенному посредством нагнетательного насоса с бачком избыточного давления.