ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B73/00 

Изобретение относится к моторостроению и представляет собой мощное энергетическое устройство, которое может быть применено как привод электрического генератора (например, на ГРЭС), как стационарная энергетическая установка для энергоемких устройств, требующих вращения, а также в качестве двигателей судов и другой самой разнообразной подвижной техники.

Известна газовая турбина, состоящая из газораспределителя, рабочего колеса, снабженного лопастями, и газовых труб, направленных на лопасти рабочего колеса. Газораспределитель имеет цилиндрический ротор с камерами сгорания в виде выемок на внешней окружности и кольцеобразного статора с выемками изнутри, последовательно предназначенными для закачки рабочей смеси в камеры сгорания, выхлопа горячего газа и продувки. Газовые трубы расположены на статоре и по ходу вращения ротора чередуются сначала направляющая газ, затем отсасывающая газ, то есть служащая для продувки камер сгорания через каналы внутри статора и отверстия в роторе разрежением, создаваемым лопастями рабочего колеса. Газораспределитель и рабочее колесо связаны общим валом.

Ввиду одноразового использования тепловой энергии газа, только на лопастях рабочего колеса, и неиспользования газа как теплоносителя это устройство не позволяет получить высокий коэффициент использования тепловой энергии газа на вращение выходного вала.

Известны комбинации поршневых двигателей с газовыми турбинами вторичного использования тепловой энергии газа, включенными в газопровод после выпускных клапанов, что несколько повышает экономичность и улучшает показатель удельной массы.

К основным недостаткам таких комбинаций относится наличие кривошипно-шатунного механизма, усложняющего конструкцию, недостаточно высокий коэффициент использования тепловой энергии газа на вращение выходного вала из-за значительных потерь тепла в цилиндрах, а также потерь энергии на преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное выходного вала и неиспользование газа как теплоносителя.

Задачей, решаемой изобретением, является создание высокоэкономичного комбинированного двигателя (мощного и простого конструкционно), в котором даже тепло отработавшего внутри двигателя газа используется на вращение выходного вала.

Технический результат при реализации изобретения выразится в увеличении экономичности (по сравнению с известными комбинированными двигателями) за счет высокого коэффициента использования тепловой энергии газа на вращение выходного вала, в улучшении показателя удельной массы ввиду более полезного использования внутреннего объема конструкции и в упрощении последней.

Однако технический результат применения изобретения не однозначен. Например, высокая экономичность двигателя, сравнимая с котлотурбоагрегатом, работающим на газе, позволяет применить его вместо последнего, а это уменьшает металлоемкость объекта в десятки раз, уменьшает стоимость объекта в несколько раз, уменьшает в несколько раз занимаемую площадь и объем, упрощает объект и удешевляет эксплуатацию.

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой комбинацию роторного двигателя нового типа и центростремительных газовых турбин. При этом газовые турбины встроены в кольцеобразный статор роторного двигателя и вместе образуют головку комбинированного двигателя. Выходные валы турбин и роторного двигателя связаны отдельным от головки редуктором. Статор головки по ходу вращения ротора имеет отверстия для наполнения рабочей смесью камер сгорания, углубления для электрических свеч зажигания и расширительных камер.

В отличие от известных устройств в выемки камер сгорания, расположенные на внешней окружности цилиндрического ротора, встроены поворачивающиеся на осях перегородки, имеющие разные площади передних частей и хвостовиков, чтобы перегородки поворачивались давлением газа изнутри. Перегородки поворачиваются при входе в расширительные камеры и, плотно прилегая к стенкам, перегораживают их, образуя полости расширения, что напоминает работу поршня во время рабочего хода. Открытие и закрытие перегородок ограничиваются выступами внутри камер сгорания, причем выступы в камерах сгорания и выемки на хвостовиках перегородок при схождении образуют замкнутые объемы газа, сжатием которых исключается стучание. Профилированные скосы в концах расширительных камер возвращают перегородки в исходное положение и тем самым открывают входы центростремительных газовых турбин, встроенных в статор.

Поскольку с расширением газа и значительными потерями его тепла на стенках энергия газа быстро падает и через короткий промежуток времени его использование на вращение выходного вала становится малоэффективным, то охлаждение роторного двигателя производится изнутри впрыскиванием в расширительные камеры конденсата воды, выделенного в теплообменнике при нагреве топливного газа и воздуха из отходящих газов, форсунками, которые приводятся в действие давлением газа в расширительных камерах и корректируются по температуре головки двигателя. Таким образом тепло, получаемое при охлаждении двигателя, и часть тепла отходящих газов работают на вращение выходного вала, увеличивая массу рабочего тепла за счет паров конденсата перед турбинами. Остатки тепла отходящих газов могут быть использованы на турбине низкого давления, связанной с выходным валом. Головка двигателя теплоизолирована.

Конструкционное совпадение составляющих комбинацию устройств и отсутствие поршней, цилиндров, кривошипно-шатунного механизма и других предметов поршневого двигателя позволяют сделать относительно простую конструкцию с хорошим показателем удельной мощности.

Топливом двигателя могут служить как сжиженный газ, так и (с постановкой карбюратора) бензины без присадок, так как детонационные свойства горючих для двигателя не имеют значения. Эта особенность двигателя повышает его экономичность и обеспеченность дешевым топливом.

На фиг.1 изображена компановка двигателя, вид сбоку; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из трех конструкционно связанных функциональных узлов: головки 1 двигателя, редуктора 2 и теплообменника 3.

Головка двигателя содержит кольцеобразный статор 4, цилиндрический ротор 5 с камерами сгорания 6. Камеры сгорания частично плотно закрыты поворачивающимися на осях 7 перегородками 8, передние части которых не доходят до стенок камер сгорания, оставляя щель 9 для закачки горючей смеси и для запала ее электросвечами. Кроме того, хвостовики перегородок имеют две поперечные выемки 10, а камеры сгорания выступы 11. Перегородки открываются в расширительные камеры 12. Статор 4 имеет углубления 13 для запальных свеч и отверстия смесительных камер 14, которые открыты внутрь. Имеются трубочки подвода газа 15 и трубы подвода воздуха 16 в смесительные камеры. Углубления 17 для впрыскивающих конденсат форсунок и отверстия 18 для управления форсунками находятся на стенках расширительных камер. В конце расширительных камер профилированные скосы 19 служат для закрытия перегородок, чтобы открыть входы в турбины 20. Головку двигателя закрывают крышки 21. Воздушный компрессор 22 и другие устройства, требующие вращения, находятся на корпусе редуктора 2 и связаны с ним.

Запуск двигателя осуществляется вращением выходного вала пусковым устройством любого типа. Воздушный компрессор 22, связанный с валом редуктором 2, снабженный регулируемым шунтом вход-выход, при вращении нагнетает воздух в смесительные камеры 14. Трубы 16 подвода воздуха и встроенные в них трубочки 15 подвода топливного газа образуют смесители с заданными площадями сечений выходных отверстий, а состав смеси задается автоматическому регулятору соотношения расходов воздух газ. Смесительные камеры 14 открыты внутрь и при вращении ротора 5 рабочая смесь из них через щели 9 между стенками камер сгорания 6 и перегородками 8 закачивается в камеры сгорания. При дальнейшем перемещении ротора щели достигают углублений 13, в которые установлены электрические свечи зажигания, которые, одновременно срабатывая, зажигают рабочую смесь, транспортируемую камерами сгорания. Дойдя до кромок расширительных камер 12, перегородки камер сгорания открываются и перегораживают расширительные камеры, образуя расширяющиеся под действием давления газа объемы. Усилия, создаваемые давлением газа на перегородки, передаются валу ротора, выходному валу и через редуктор дискам газовых турбин, служащих в данном случае накопителями энергии (маховиками). В конце расширительных камер перегородки возвращаются в исходное положение профилированными скосами 19, открывая входы турбин 20. Выступы 11 в камерах сгорания и выемки 10 на хвостовиках перегородок служат для ограничения хода перегородок и устранения стучания, так как при схождении они образуют замкнутые объемы газа. После истечения газа из расширительных камер турбины, продолжая вращаться, создают за собой разрежение, подготавливая камеры сгорания для наполнения горючей смесью. После турбин газ поступает в теплообменник, где подогревает топливный газ и воздух, а выделенный при этом конденсат используется в двигателе для охлаждения головки впрыскиванием конденсата форсунками, установленными в углубления 17, управляемыми давлением внутри расширительных камер через отверстия 18. Количество впрыскиваемого конденсата регулируется по температуре корпуса головки двигателя специальными регуляторами.

Уплотнителем в головке двигателя служит давление газа внутри ее корпуса, для чего на щечках ротора должны быть кольцевые выемки. Применимы и другие виды уплотнения.

Смазкой двигателя может служить порошок графита.

Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания комбинированный и состоит из роторного двигателя нового типа, камеры сгорания которого снабжены поворачивающимися на осях перегородками, и центростремительных газовых турбин. Двигатель позволяет получить высокий КПД за счет глубокого использования тепловой энергии газа на вращение выходного вала. Топливом может служить сжиженный газ и бензины без присадок, что удешевляет эксплуатацию и повышает экологичность. 2 ил.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий кольцеобразный статор с отверстиями для закачивания горючей смеси, свечи зажигания с углублениями в статоре под них, расширительные камеры, цилиндрический ротор с камерами сгорания в виде выемок на внешней окружности и газовые турбины, отличающийся тем, что он снабжен встроенными в статор турбинами с водяными форсунками для впрыскивания воды в расширительные камеры, камера сгорания выполнена с перегородками, открывающимися в расширительные камеры, при этом расширительные камеры выполнены удлиненными и в торце сообщены с турбинами.