ДВИГАТЕЛЬ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1996 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателестроению и может найти применение на транспорте, в энергетике.

Известен двигатель-преобразователь транспортного средства, выбранный в качестве прототипа, который снабжен подвеской, содержит корпус с окнами газораспределения, камеру сгорания со свечой зажигания, выпускным каналом и окнами, расширительную машину с ротором, установленным на валу и двумя рядами лопаток, размещенных в ее рабочем объеме аксиально с возможностью относительного перемещения и направленных навстречу друг к другу, и средства автономного питания и сжатия рабочей среды /1/.

Недостатком известного устройства является невысокий КПД.

Техническим результатом является повышение КПД за счет использования потенциальной энергии веса автомобиля от подвесок его и кинетической энергии при торможении, а также использования эффекта аккумулирования энергии рабочей среды.

В совокупность существенных признаков, характеризующих изобретение, входят общие с прототипом признаки: "двигатель-преобразователь транспортного средства, снабженного подвеской, содержащей корпус с окнами газораспределения, камеру сгорания со свечей зажигания, выпускным каналом и окнами, расширительную машину с ротором, установленным на валу и двумя рядами лопаток, размещенных в ее рабочем объеме аксиально с возможностью относительного перемещения и направленных навстречу один другому, и средства автономного питания и сжатия рабочей среды" и отличается от прототипа тем, что он снабжен установленным на корпусе роторно-клиновым компрессором и насосом, кинематически связанным с валом ротора, системой рекуперации энергии торможения и колебаний подвески транспортного средства, соединенной при помощи средства автономного питания с компрессором и насосом, вкладышем с уплотнениями и гидропатрубком, камера сгорания снабжена согласующей магистралью, подпружиненными управляемыми клапанами газораспределения, установленными в ее окнах, форсункой и редуктором, имеющим диафрагму, диафрагменную камеру и подпружиненный клапан, кинематически связанный с диафрагмой, ротор выполнен в виде диска с кольцевой проточкой и пазами на его внешней поверхности, пазы выполнены сквозными с установленными в них лопатками в виде клина, камера сгорания с выпускным каналом расположена во вкладыше, выполнена в виде концентрично расположенных сфер и связана через согласующую магистраль с диафрагменной камерой, и через выпускной канал, выполненный в виде сопла, с рабочим объемом расширительной машины, каждая лопатка снабжена кулачками управления и возврата с клиновой частью, обращенной к выпускному каналу, подпружиненный клапан установлен с возможностью перекрытия гидропатрубка, а свеча зажигания выполнена калильной.

На фиг. 1 изображен двигатель-преобразователь с частичным разрезом корпуса; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 маховик с закрепленными на нем лопатками при взаимодействии шарниров об эксцентрики; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 принципиальная схема питания и охлаждения двигателя-преобразователя; на фиг. 6 блок-схема питания и охлаждения двигателя-преобразователя; на фиг. 7 принципиальная схема автономного питания при использовании потенциальной и кинетической энергии на автомобиле и подвеска автомобиля с использование потенциальной энергии; на фиг. 8 в увеличенном масштабе маховик с закрепленными на нем лопатками при взаимодействии шарниров об эксцентрики и замыкание рабочего объема каждого ряда лопаток.

Двигатель-преобразователь содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, на входном патрубке 2 расположена камера сгорания с нагревательной камерой 5 крышки 6 и пневмопатрубок 7. В камере сгорания 4 установлены клапаны 8, фиксируемые пружиной 9, к камере сгорания 4 привернуты калильная свеча 10, форсунка 11 и согласующая магистраль 12. В корпусе 1 размещен вал 13 с установленными на нем в подшипниках 14 маховиком 15 с симметрично закрепленными шарнирно на его наружной поверхности лопатками 16. Лопатки 16 установлены в два ряда, обращены заостренной поверхностью друг к другу и имеют возможность поворота относительно роликов 17, на которых они закреплены. Каждая лопатка 16 выполнена в виде клина, наклонная сторона которого обращена к входному патрубку 2, имеющему вид сопла. Маховик 15 имеет кольцевую проточку 18 по диаметральному сечению и сквозные окна 19 для размещения лопаток 16. Корпус 1 имеет окна 20, в которых установлены эксцентрики 21, профиль которых совпадает с профилем кольцевой проточки 18 маховика 15. В окнах 20 размещен также вкладыш 22 с закрепленными на нем золотниками 23. В корпусе 1 установлены также полозы 24 возврата лопаток 16 подшипниками 17¹ в исходное положение. Корпус 1 также имеет окно 20, в котором установлен редуктор 25 с гидропатрубком 26 для подачи воды в кольцевую проточку 18, размещенными в корпусе редуктора 25 диафрагмой 27 с прикрепленным к ней клапаном 28 и пружиной 29, фиксирующей действие клапана 28, диафрагма 27 закреплена крышкой 30 редуктора 25. Согласующая магистраль 12 подключена к крышке 30 и к камере сгорания 4. Согласующая магистраль 12 газовой средой приводит в действие диафрагму 27, которая открывает клапан 28 для подачи воды в кольцевую проточку 18 по диаметральному сечению маховика 15, в перегородке 31 расположено дренажное окно 32 для вытеснения воздушной и газовой среды из данной зоны, где она заполняется водой, на выходном 3 патрубке закреплен расширительный бак 33 для слива охлаждающей воды, к выходному 3 патрубку подключена выхлопная труба 34. На корпусе 1 расположен компрессор 35 для нагнетания воздуха в ресиверный бак 44, а также расположен насос 36 для перекачки воды в радиатор из расширительного бака 33, приводимые в действие валом 13 маховика 15 зубчатыми зацеплениями шестерен 37, на компрессоре 35 расположен фильтр 38. Между вкладышем 22 и корпусом 1, а также между корпусом 1 и эксцентриком 21 установлен набор прокладок 39, 40 толщиной 0,01 мм, обеспечивающий регулирование зазора для компенсации износа.

Двигатель-преобразователь работает следующим образом.

Цикл первый: пуск, рабочая среда /воздуха/ под давлением через пневмопатрубок 7 поступает внутрь между нагревательной камерой 5 и камерой сгорания 4, открывает клапаны 8 и попадает в камеру сгорания 4, сжатый воздух поступает во входной 2 патрубок в виде сопла, рабочая среда попадает в кольцевую проточку 18 маховика 15, установленного на валу 13 в подшипниках 14. При этом вкладыш 22 с закрепленными на нем золотниками 23 входит в кольцевую проточку 18 маховика 15. Маховик 15, лопатки 16, стенка корпуса 1 и сопло 2 образуют замкнутую полость с подвижной стенкой, выполняющую роль расширительной камеры. В результате повышения давления в расширительной камере маховик 15 начинает вращаться в направлении, указанном стрелкой Б. Поскольку каждый ролик 17, на котором закреплена лопатка 16, взаимодействует с эксцентриком 21, а последний, в свою очередь, с кольцевой проточкой 18 маховика 15, каждая лопатка 16 совершает возвратно-поступательное перемещение параллельно оси маховика 15. При этом каждая из лопаток 16 имеет форму клина, обращенного заостренной частью к соплу 2, при подходе к нему ранее выведенные лопатки 16 из кольцевой проточки 18 маховика 15, пропуская мимо себя вкладыш 22 и не мешая вращению маховика 15. Золотники 23, закрепленные на вкладыше 22, уменьшают лобовое сопротивление при вращении маховика 15. Выполнение лопаток 16 клиновыми позволяет за счет разложения усилия давления рабочей среды на наклонную поверхность клина получить одну из составляющих усилия, которая направлена в сторону вращения маховика 15. В свою очередь, это приводит к повышению КПД двигателя-преобразователя и снижению расхода воздуха на вращение маховика 15.

Цикл второй: после описанного цикла начинается цикл пневмоаккумулирования /обратной связи/. Он осуществляется следующим образом. Между телом маховика 15 и клином 16 при отводе лопаток в виде клина в исходное положение образуются пустоты по всей кольцевой проточке 18 маховика 15. Отвода лопаток 16 осуществляется полозами 24 при взаимодействии с ними подшипников 17¹. Сжатый воздух, производивший работу на вращение маховика 16, в данной зоне расширяется и по выхлопной трубе 34 сбрасывается в атмосферу, а часть воздуха остается в кольцевой проточке 18 и пустотами в виде клина. Эти пустоты заполняются воздушной средой, ранее затраченной на объемное вытеснение в предыдущем цикле. Вкладыш 22 с внешней части заострен для сжатия воздуха в пустотах в виде клина. При подходе вкладыша 22 в виде сопла лопатки 16 каждого ряда за счет взаимодействия ролика 17 с эксцентриком 21, а последнего с корпусом 1 перемещаются клиньями навстречу друг другу и входят в расширительную камеру вместе с рабочей воздушной средой, ранее затраченной на объемное вытеснение. Эта рабочая среда производит повторную работу на вращение маховика 15, что способствует увеличению оборотов, уменьшению затрат воздушной среды на вращение маховика 15 и повышению КПД двигателя-преобразователя.

Цикл третий: после описанного цикла начинается цикл внутреннего сгорания. Он осуществляется следующим образом. В камере сгорания 4 расположен сжатый воздух, подается питание на калильную свечу 10, она нагревается, после чего при нажатии на педаль 42 приводится в действие плунжер 43, нагнетающий под давлением бензин на форсунку 11, которая вспрыскивает бензин в камеру сгорания 4, где расположена нагретая свеча 10, и смесь бензина с воздухом воспламеняется, происходит объемное расширение. Температура и давление в камере сгорания 4 резко повышается, клапаны 8 закрываются, газовая среда под большим давлением через входной 2 патрубок в виде сопла подается в кольцевую проточку 18, где теперь происходит газоаккумулирование и преобразование. Маховик 15 быстро набирает энерционно-аккумуляторную силу вращения.

Цикл четвертый: охлаждение, после описанного цикла начинается цикл гидроаккумулирования /обратной связи/ с охлаждением двигателя преобразователя. Он осуществляется следующим образом. При сгорании топлива в камере сгорания 4 происходит объемное расширение, вследствие чего повышаются давление и температура в камере сгорания 4, это давление газовой среды по согласующей магистрали 12 поступает внутрь крышки 30 на корпусе редуктора 25, где закреплена диафрагма 27 с клапаном 28, фиксируемым для возврата в исходное положение пружиной 29. Клапан 28 взаимодействует при открытии и закрытии с патрубком 26 для подачи воды в проточку 18 по диаметральному сечению маховика 15 между телом маховика 15 и клиновыми лопатками 16 в зоне, где расположен вкладыш и перегородка 31 по диаметральному сечению маховика 15. Закачиваемая вода вытесняет газ или воздух через дренажное окно 32, при подходе к вкладышу 22 пустоты в виде клина заполняются водой и охлаждают водой маховик 15, клин 16, вкладыш 22 с закрепленными на нем золотниками 23 и корпус 1 в данной зоне. После описанного охлаждения начинается цикл гидроаккумулирования. Как следует из вышеуказанного, маховик 15 вращается с ускорением, набрав энерционно аккумуляторную силу за счет своей массы, при этом лопатки 16 каждого ряда за счет взаимодействия ролика 17 с эксцентриком 21, а последний с корпусом 1 перемещаются клиньями навстречу друг другу и входят в расширительную камеру вместе с водой, ранее использующейся для охлаждения. Двигатель-преобразователь начинает работать без объемного вытеснения, а высокое давление, созданное при сгорании топлива, кинетически направлено на вращение маховика 15 и создание положительной работы, чтобы способствует повышению КПД.

Действие эксцентрика 21 кончается, и лопатки начинают перемещаться друг от друга в исходное положение полозами возврата 24, а нагретая вода сливается через выходной патрубок 3 в расширительный бак 33 и насосом 36 перекачивается в радиатор 45.

Цикл пятый: продувка, после описанного цикла начинается цикл продувки камеры сгорания 4. Он осуществляется следующим образом. При работе двигателя-преобразователя в камере сгорания 4 температура и давление постепенно падает, а также падает давление в редукторе 25 через согласующую магистраль 12. Пружина 29 приводит клапаны 28 в исходное положение, и подача воды постепенно уменьшается. Начинается незначительное объемное вытеснение газовой среды, клапаны 8 открываются и раскаленный воздух, нагретый камерой сгорания 4, из нагревательной камеры 5 поступает в камеру сгорания 4, вытесняя постепенно газы из камеры сгорания 4. Давление в камере сгорания 4 падает, но на уменьшение оборотов маховика 15 это не влияет, так как подача воды прекращается и начинается незначительное объемное вытеснение с газоаккумулированием.

Продувка осуществлена, нажатием на педаль 42 приводится в действие плунжер 43, нагнетающий под давлением бензин на форсунку 11, которая впрыскивает бензин в камеру сгорания 4, где расположена нагретая свеча 10, и смесь бензина с воздухом воспламеняется, происходит объемное расширение. Температура и давление в камере сгорания 4 резко повышаются, клапаны 8 закрываются. Газовая среда под большим давлением через входной 2 патрубок в виде сопла подается в кольцевую проточку 18.

В камере сгорания 4 это давление газовой среды по согласующей магистрали 12 поступает внутрь редуктора 25, открывается клапан 28 и в кольцевую проточку 18 поступает вода для охлаждения с произведением цикла гидроаккумулирования, работа без объемного вытеснения.

Цикл повторяется снова.

Дальнейшая работа двигателя-преобразователя осуществляется без топлива, это достигается тем, что маховик 15 при вышеописанных циклах вращался и валом 13 при помощи зубчатых зацеплений шестерен 37 вращался компрессор 35. Компрессор 35 роторно-клиновой с односторонним расположение лопаток в виде клина. Выполнение лопаток в компрессоре 35 клиновым позволяет при нагнетании воздуха за счет разложения усилия нагнетания воздушной среды на наклонную поверхность клина получить одну из составляющих усилия, которая направлена в сторону вращения ротора компрессора 35, из этого следует, что усилие на вращение компрессора 35 валом 13 прилагается незначительное, так как при взаимодействии лопаток в виде клина с профилем копиром перемещается в роторе компрессора 35, нагнетает воздух в ресиверный бак 44 и способствует вращению ротора по направлению вращения ротора компрессора 35 без дополнительных энергозатрат от двигателя-преобразователя на его вращение для нагнетания воздуха в ресиверный бак 44, что не способствует понижению КПД двигателя-преобразователя.

В ресиверном баке 44 за счет эффекта аккумулирования и преобразований нагнетался воздух компрессором 35, где создалось большое давление воздушной сжатой среды.

Дальнейшая работа двигателя-преобразователя осуществляется на сжатом воздухе под большим давлением, подача воздушной среды регулируется краном 47 (открыть или закрыть), давление воздушной среды подается на пневмопатрубок 7, поступает внутрь между нагревательной камерой 5 и камерой сгорания 4, открывает клапаны 8 и поступает в камеру сгорания 4, сжатый воздух поступает во входной 2 патрубок в виде сопла, рабочая среда попадает в кольцевую проточку 18 маховика 15, вращающегося в направлении, указанном стрелкой Б, каждый ролик 17, на котором закреплена лопатка 16, взаимодействует с эксцентриком 21, а последний, в свою очередь, с кольцевой проточкой 18 маховика 15, каждая лопатка 16 совершает возвратно-поступательное перемещение параллельно оси маховика 15. Выполнение лопаток 16 клиновыми позволяет за счет разложения усилия давления рабочей среды на наклонную поверхность клина получить одну из составляющих усилия, которая направлена в сторону вращения маховика 15. Действие роликов 17 об эксцентрики 21 кончается, лопатки 16 выводятся в исходное положение, сжатый воздух расширяется и по выхлопной трубе 34 сбрасывается в атмосферу, а часть воздушной среды остается в кольцевой проточке 18 с пустотами в виде клина в окнах 19 по всей окружности маховика 15. Эти пустоты в окнах 19 заполняются воздушной средой, ранее затраченной на объемное вытеснение в предыдущем цикле. При подходе к вкладышу 22 в виде сопла лопатки 16 каждого ряда за счет взаимодействия ролика 17 с эксцентриком 21, а последнего с корпусом 1 перемещаются клиньями навстречу друг другу и входят в расширительную камеру, как показано стрелкой В, вместе с рабочей воздушной средой, ранее затраченной на объемное вытеснение. Эта рабочая среда производит повторную работу на вращение маховика 15, что способствует увеличению оборотов и уменьшению затрат воздушной среды на вращение маховика 15. В данный момент подача воды прекращается закрытием или открытием крана в зависимости от ускорения или уменьшения оборотов маховика 15.

Компрессор 35 успевает восполнять давление воздушной среды в ресиверном баке 44, и двигатель-преобразователь работает только на воздушной среде, а для экстренного ускорения вращения маховика 15 нажатием на педаль 42 приводится в действие плунжер 43, нагнетает под давлением бензин на форсунку 11, которая вспрыскивает бензин в камеру сгорания 4, где находятся сжатый воздух и раскаленная свеча 10, смесь бензина с воздухом воспламеняется, происходит объемное расширение. Опять образуется замкнутая полость с подвижной стенкой, открывается клапан 28 для подачи воды, водой охлаждается маховик 15, лопатки в виде клина 16, вкладыш 22 с золотниками 23. Охладив данные зоны, вода производит дополнительную работу на вращение маховика 15 и сливается в расширительный бак 33, затем насосом 36 перекачивается в радиатор 45, где вода охлаждается, и опять подается в кольцевую проточку 18 маховика 15 для охлаждения и гидроаккумулирования. Полозы 24 обеспечивают возврат лопаток 16 в исходное положение и слив воды в расширительный бак 33.

КПД двигателя-преобразователя вследствие этого значительно увеличивается.

Учитывая эффект пневмо-газо-гидроаккумулирования /обратной связи/, увеличить КПД двигателя-преобразователя, поставленного на колесные транспортные средства, можно путем использования потенциальной энергии от подвесок 50 на автомобиле и кинетической энергии при торможении автомобиля. Он осуществляется следующим образом.

На автомобилях к подвескам 50 и дополнительно к пружинам 51 или рессорам ставить цилиндры 52 с поршнями 53 для нагнетания воздуха в ресиверный бак 44 при движении автомобиля, использовать потенциальную энергию веса автомобиля, что способствует повышению КПД без дополнительных энергозатрат (см. фиг. 7, 8).

Также использовать кинетическую энергию при торможении автомобиля, к карданному валу ставить осевой компрессор 49 на место подвесного подшипника, а при включении муфты приводить его в действие и гасить кинетическую энергию, нагнетая осевым компрессором 49 воздух в ресиверный бак 44, что способствует повышению КПД.

Анализ эффективности заявленного решения показывает, что по сравнению с газотурбинами и двигателями обычной схемы
пуск двигателя осуществляется без аккумулятора и стартера, характер протекаемых в нем процессов не одинаков с процессами в машинах объемного расширения типа турбинных, поршневых и роторных двигателей;
в предлагаемом двигателе-преобразователе используется рабочая среда, ранее затраченная на объемное вытеснение благодаря эффекту аккумулирования /обратной связи/, благодаря чему уменьшаются затраты рабочего тела на его вращение;
преобразование за счет разложения усилия давления среды на наклонной поверхности лопатки в виде клина позволяет получить силу, направленную в сторону вращения маховика, это приводит к повышению КПД при пуске на первом этапе и работе его на последнем этапе без топлива, в частности автономное питание при использовании потенциальной и кинетической энергии на автомобиле. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6

Использование: двигателестроение, может быть применено на транспорте и в энергетике. Сущность изобретения: устройство снабжено установленными на корпусе роторно-клиновыми компрессором и насосом, кинематически связанными с валом ротора, системой рекуперации энергии торможения и колебаний подвески транспортного средства, соединенной при помощи средств автономного питания с компрессором и насосом, вкладышем с уплотнениями и гидропатрубком, камера сгорания снабжена согласующей магистралью, подпружиненными управляемыми клапанами газораспределения, установленными в ее окнах, форсункой и редуктором, имеющим диафрагму, диафрагменную камеру и подпружиненный клапан, кинематически связанный с диафрагмой, ротор выполнен в виде диска с кольцевой проточкой и пазами на его внешней поверхности, пазы выполнены сквозными, камера сгорания с выпускным каналом расположена во вкладыше, выполнена в виде концентрично расположенных сфер и связана через согласующую магистраль c диафрагменной камерой, а через выпускной канал, выполненный в виде сопла, с рабочим объемом расширительной машины, каждая лопатка снабжена кулачками управления и возврата с клиновой частью, обращенной к выпускному каналу, подпружиненный канал установлен с возможностью перекрытия гидропатрубка, а свеча зажигания выполнена калильной. 8 ил.

Двигатель-преобразователь транспортного средства, снабженного подвеской, содержащей корпус с окнами газораспределения, камеру сгорания со свечей зажигания, выпускным каналом и окнами, расширительную машину с ротором, установленным на валу, и двумя рядами лопаток, размещенных в ее рабочем объеме оксиально с возможностью относительного перемещения и направленных навстречу один другому и средства автономного питания и сжатия рабочей среды, отличающийся тем, что он снабжен установленным в корпусе роторно-клиновым компрессором и насосом, кинематически связанным с валом ротора, системой рекуперации энергии торможения и колебаний подвески транспортного средства, соединенной при помощи средства автономного питания с компрессором и насосом, вкладышем с уплотнениями и гидропатрубками, камера сгорания снабжена согласующей магистралью, подпружиненным и управляемыми клапанами газораспределения, установленными в ее окнах, форсункой и редуктором, имеющим диафрагму, диафрагменную камеру и подпружиненный клапан, кинематически связанный с диафрагмой, ротор выполнен в виде диска с кольцевой проточкой и пазами на его внешней поверхности, пазы выполнены сквозными с установленными в них лопатками в виде клина, камера сгорания с выпускным каналом расположена во вкладыше, выполнена в виде концентрично расположенных сфер и связана через согласующую магистраль с диафрагменной камерой, а через выпускной канал, выполненный в виде сопла, с рабочим объемом расширительной машины, каждая лопатка снабжена кулачками управления и возврата с клиновой частью, обращенной к выпускному каналу, подпружиненный клапан установлен с возможностью перекрытия гидропатрубка, а свеча зажигания выполнена калильной.