ФАКЕЛЬНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F01B3/02 F04B1/12 F02B75/26 

Изобретение относится к электромашиностроению, представляет собой универсальное устройство, способное работать в режиме двигателя с повышенным КПД, в режиме генератора парогазового давления и одновременно в двух функциональных режимах с плавным перераспределением мощности с двигателя на генератор и обратно. Как двигатель факельную силовую установку можно применять на автомашинах, тракторах, комбайнах, на судах, на железной дороге и на воздушном транспорте, где необходим двигатель вращения, или необходимы два и более функционально равных устройства, например, автомашина с устройством для сдувания снега и гололеда с дорог, автомашина кран, автомашина кухня, автомашина баня и т.д.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является факельная силовая установка, содержащая газопривод, включающий оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, попарно соединенными штоками, выходной вал и компрессор, подключенный к газоприводу каналом (ДЕ, патент N 2618556, кл. F 01 B 3/02, 1978).

Недостатками этой установки являются сложная конструкция и невысокий КПД.

Задачами, решаемыми с помощью настоящего изобретения, является генерирование парогазового давления при сжигании топлива и максимальное извлечение из него полезной работы, упрощение запуска силовой установки, упрощение конструкции, уменьшение токсичности продуктов горения.

Для достижения этих задач в газоприводе, в его подпоршневой части выполнен компрессор, его канал сжатого воздуха направлен в газопривод через факельную камеру со свечой каления, с регулируемыми испарителями топлива и воды, установленными последовательно по ходу потока воздуха, подпитанными насосами давления, поршневые приводы которых сообщены каналами с факельной камерой, на стенке которой установлен регулируемый клапан давления. Специальные насосы испарителей размещены под оппозитными поршнями силовых цилиндров с общим потоком и двумя закрепленными лапками, перебрасывающими подпружиненную поворотную стойку, которая передает усилие на штангу с оппозитными золотниками, переключающими каналы атмосферы и сжатой среды в силовой части цилиндров. По внутреннему периметру факельной камеры, выполнен дополнительный регулируемый испаритель воды, преобразующий в пар боковое тепловое излучение факела и увеличивающий поверхность испарения. Компрессор выполнен ступенчатым и содержит на вал дополнительно турбину.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид факельной силовой установки, на фиг. 2 разрез А А на фиг. 1, на фиг. 3 - общий вид факельной силовой установки с дополнительной турбиной на валу, на фиг. 4 общий вид факельной камеры с насосами, на фиг. 5 разрез Б Б на фиг. 4, на фиг. 6 общий вид факельной камеры без дополнительного испарителя воды, на фиг. 7 сечение демпфера, на фиг. 8 развернутая поверхность профильного кулачка и график заполнения цилиндра сжатой средой.

Факельная силовая установка содержит корпус 1, в котором на подшипниках 2 установлен вал 3. На валу жестко наклонно закреплен разъемный диск маховик 4 с кольцевой канавкой 5. В корпусе 1 по окружности размещены цилиндры 6, в которых перемещаются поршни 7, попарно соединенные штоком 8 и снабженные пальцами 9 с установленными на них шарами 10 с возможностью качения по кольцевой канавке 5 разъемного диска-маховика 4. Цилиндры 6 закрыты крышкой 11, в которой выполнены впускные 12 и выпускные отверстия 13. Выпускные отверстия 13 закрываются подвижными заслонками 14, которые жестко закреплены на валу 3, в подвижных заслонках выполнены серповидные каналы 15 (фиг. 2) на полоборота, совпадающие по радиусу с выхлопными отверстиями 13 в крышке цилиндров.

Подвижная заслонка 14 прикрыта наружной крышкой 16, в которой выполнены отверстия 17, совпадающие с впускными отверстиями 12; а отверстия 18 совпадают с выхлопными отверстиями 13 в крышке 11. Впускные отверстия 12 перекрываются плунжерами 19 с колесиком 20, подпружиненными пружинами 21. При вращении вала 3 плунжерные колесики 20 катятся по поверхности профильного кулачка 22, развернутая поверхность которого изображена на фиг. 8. Профильный кулачок подпружинен пружиной 23 вдоль вала 3 по направляющей шпонке 24. Противоположный торец профильного кулачка упирается на упорный подшипник 25, взаимодействующий посредством рычаг 26 и штока 27 с поршнем 28 в дополнительном цилиндре 29.

Рычаг 26 поворачивается на оси 30, закрепленной на кронштейне 31. Надпоршневая часть дополнительных цилиндров 29 соединена каналом - трубопроводом 32 с каналом 33 в нижней части факельной камеры. Под поршнем каждого цилиндра Б жестко вставлена вставка 34, в ней установлены клапаны: впускной 35 и выпускной 36. Впускной клапан подпружинен пружиной 37, выпускной пружиной 38. Впускные клапаны сообщаются с атмосферой посредством отверстий 39 и 40. Каждый канал выпускного клапана соединен с трубопроводом 41, закрепленным по периметру, а общий канал трубопровода 42 соединен с каналом 43 в факельной камере 44. Верхняя часть факельной камеры жестко скреплена с нижней частью. Отверстия 45 в факельной камере соединены с трубопроводам 46. В факельную камеру введен штуцер 47 с каналом 48 и жестко закреплен на штуцере жестко установлен пористый элемент испаритель 49 с каналом 50, который закрыт пробкой 51. Поверхность испарителя закрыта втулкой 52 и подпружинена пружиной 53 вдоль штуцера. Втулка скреплена с тягой 54, которая выведена наружу факельной камеры. Посредством гибкой связи 55 тяга соединена с педалью управления 56. В верхнюю часть факельной камеры введен штуцер 57 с каналом 58. На штуцере жестко закреплен пористый элемент испаритель 59 с каналом 60, который закрыт пробкой 61 и закреплен на стенке камеры 44. Поверхность испарителя 59 закрыта подвижной втулкой 62, выведена наружу камеры и подпружинена пружиной 63. Втулка скреплена с тягой 64 и выведена за скобу 65. Посредством гибкой связи 66 тяга соединена с педалью управления 56 (место соединения гибкой связи 66 с педалью на чертеже не изображено). В факельную камеру введена электрическая свеча каления 67. На стенке камеры 44 установлен регулируемый клапан давления 68 с хвостовиком 69. Над клапаном закреплена крышка 70 с каналом 71, а хвостовик клапана выведен наружу крышки. На хвостовик одет колпак 72 и подпружинен пружиной 73. Пружина закрыта цилиндрической крышкой 74, а в крышке установлен подвижный упор 75, один конец которой выведен в отверстие крышки, а другой тарельчатый конец при сжатом состоянии пружины упирается на колпак. Упор поджимается поворотом блок-эксцентрика 76, который выполнен цельным (единым). Блок-эксцентрик подвижно установлен на оси 77 и поджимается пружиной 78. Ось закреплена на панели 79. Посредством гибкой связи 80 блок-эксцентрик соединен с подвижной втулкой 81, на которой закреплена рукоятка 82. Втулка подвижно посажена на ось 83, которая закреплена на месте управления. На панели 79 слева и справа от факельной камеры 44 закреплены специальные насосы давления для испарителей, один для топлива, другой для воды (фиг. 4). В цилиндрах 84, установленных оппозитно, вставлены поршни 85, которые соединены штоком 86. На штоке закреплены лапки 87. Шток имеет продольную щель 88, в щель введена ось 89 и закреплена на панели 79. На штоке закреплен выступ 90. Цилиндры 84 закрыты крышками 91, которые имеют отверстия: одно для связи с атмосферой 92, другое отверстие 93 для соединения с каналом 94, камеры 44. Трубопроводы, соединяющие канал 94 с отверстиями 93 на крышках 91, на чертеже не изображены. Другой канал 95 на стенке камеры, аналогично каналу 94, служит для второго насоса. Отверстия, выполненные в крышке цилиндров, перекрывают золотник 96 с двумя выточками 97 и 98. Оппозитные золотники соединены штангой 99, средняя часть штанги имеет утолщение, на нем закреплены выступы 100. На панели 79 закреплена ось 101, на оси установлена поворотная втулка 102, на ней жестко закреплен рычаг 103 с шарообразным поясом посередине, а на конце рычага закреплена стойка 104. Стойка подпружинена пружиной 105, другой конец пружины закреплен на оси 106 (фиг. 5). Подпоршневая часть цилиндров 84 содержит впускной клапан 107, подпружиненный пружиной 108, и выпускной клапан 109, подпружиненный пружиной 110. Каналы 11 выпускных клапанов 109 соединены с одним из трубопроводов 112 (фиг. 7). Трубопроводы подведены к цилиндру 113, в котором размещен поршень 114 подпружинен пружиной 115, шток 116 поршня 114 выведен в отверстие крышки 117. Трубопровод 118, идущий от цилиндра 113, подведен к штуцеру 47, если насос подает топливо, или к штуцеру 57, если насос подает воду. Факельная камера имеет два варианта исполнения. Первый для стационарной установки водного и колесного транспорта. Второй вариант для воздушного транспорта. При первом варианте по внутреннему периметру факельной камеры закреплен дополнительный испаритель воды 119 и закрыт второй стенкой двойной втулки 120 с общей тягой 54. По периметру испарителя в корпусе факельной камеры выполнено кольцевое углубление 121. По каналу 122 в кольцевое углубление, параллельно водяному штуцеру 57, поступает вода от насоса.

При втором варианте исполнения факельной камеры дополнительный испаритель не нужен. Вместо дополнительного испарителя в кафельную камеру подается больше воздуха повышенного давления, для этого на валу 3 дополнительно закреплена турбина 123 (фиг. 3), увеличивающая поступление сжатого воздуха в факельную камеру, например, при движении воздушного транспорта. Со стороны турбины, для управления упорным подшипником 25, дополнительный цилиндр 29 установлен в горловине 124, где обхват 125 жестко скреплен со штоком 27. Посредством трубы 126 объем цилиндра под поршнем соединен с атмосферой, а на дне двойной втулки 120 имеются отверстия 127.

Для работы факельной камеры необходимо подать топливо например, жидкое в испаритель 49 и воду в испаритель 59. Для этого на панели 79 установлены два специальных насоса давления. (Принцип работы этих насосов одинаков, баки с топливом и водой на чертеже не изображены). При первоначальном запуске факельной силовой установки испарители 49 и 59 заполняют топливом и водой вручную. Для этого нажатием на панель 56, посредством гибкой связи 55 и 66, тяг 54 и 64, немного перемещая втулки 52 и 62, открывают поверхность испарителей топлива и воды. Затем, ухватившись за выступ 90, совершают возвратно-поступательное движение штоком 86 и поршнями 85 на их концах. При увеличении объема под давлением жидкость засасывается через впускной клапан 107, а при уменьшении выталкивается через выпускной клапан 109 и канал 111. Каналы 11 в оппозитных цилиндрах 84 соединены с трубопроводами 112, поэтому жидкость поступает в цилиндр 113 под поршень 114. Далее по трубопроводу 118 жидкость поступает в канал 48 штуцера 47, а потом в канал 50 испарителя топлива 49. Поступающая жидкость вытесняет воздух через открытую часть стенки испарителя в факельную камеру 44. После вытеснения воздуха в канале от оппозитных насосов до испарителя повышается давление, поршень 114, преодолевая усилие пружины 115, перемещается вверх, над крышкой 117 выступает шток 116 - это показывает что испаритель заполнен жидкостью. После заполнения испарителей топливом и водой необходимо нажатием на педаль 56 открыть поверхность испарителей. Под давлением пружины 115 на поршень 114 жидкость проникнет на поверхность пористого испарителя, кроме этого поршень 114 поддерживает давление в момент переключения оппозитных насосов. Топливо испаряется с поверхности испарителя, смешиваясь с воздухом в факельной камере 44. После этого включают электрическую свечу каления 67, горючая смесь воспламеняется - происходит горение факела. Свечу каления отключают, от горения факела выделяется тепловая энергия, с поверхности водяного испарителя 59 испаряется вода, снижается температура продуктов горения, образуя парогазовую смесь, но при этом увеличивается давление в факельной камере 44. Рабочее парогазовое давление из камеры 44 поступает через отверстия 45 в трубопроводы 46, а затем через открытые плунжеры 19 и отверстия 12 в крышке 11 в цилиндры 6, например, в правый верхний и нижний левый, создавая рабочее давление на поршни 7 (фиг. 1). Поршни через штоки 8, пальцы 9 и шары 10 передают усилие на кольцевую канавку 5 разъемного диска 4, выполняющего одновременно и функцию маховика на валу 3. Рабочее давление на поршни создает пару сил, вращая разъемный диск маховик 4 с валом 3. Одновременно поршни 7, левый верхний и правый нижний, двигаясь в обратном направлении синхронно, вытесняют из цилиндров 6 отработанную среду через выпускные отверстия 13, серповидные каналы 15 и отверстия 18 в крышке 16. Серповидный канал 15 в подвижной заслонке 15 занимает по радиусу половин окружности, поэтому он открыт на весь ход поршня.

Энергия сжатой среды парогазовое давление в факельной камере 44 максимально преобразуется в механическую работу, когда она поступает в цилиндр 6 на определенный ход поршня 7, а остальной ход, до крайней точки, происходит при расширении в падении давления, приближаясь к атмосферному (фиг. 8). Для определения при каком давлении на какой ход поршня необходимо подать парогазовое давление в цилиндр существует математическая формула .

где применительно к профильному кулачку 22, изображенном на фиг. 1, 3 и 8,
R радиус от центра осевой линии до вершины профильного кулачка,
π постоянная величина 3, 14,
e длина дуги поверхности профильного кулачка,
K коэффициент давления, где
Р_мак максимальное давление сжатой среды,
Р_атм атмосферное давление, принимаем равным единице.

Основным элементом управления подачи парогазового давления в цилиндр на определенный ход поршня является установленный и подпружиненный вдоль вала 3, профильный кулачек 22. Нижний широкий профиль кулачка 22 для минимального парогазового давления в факельной камере 44, а верхний зауженный профиль кулачка для повышенного давления. Наклонная часть кулачка для меняющегося давления от максимума до минимума. Угловая величина профиля кулачка 22 определяется по выше приведенной формуле. При минимальном давлении в факельной камере 44, пружина 23 разжата, колесико 20 плунжера 19 перекатывается по широкому профилю кулачка 22, плунжер 19 открыт на больший ход поршня 7. При максимальном давлении в факельной камере 44 через канал 33 и каналы 32 давление поступает в дополнительные цилиндры 29, перемещая поршни 28. Усилие передается на штоки 27, рычаги 26 и через упорный подшипник 25 перемещает профильный кулачек 22 вдоль шпонки 24, максимально сжимая пружину 23. При этом, колесико 20 плунжера 19 перекатывается по зауженной части кулачка 22, плунжер 19 открыт на меньший ход поршня 7. Положение подпружиненного профильного кулачка 22 по отношению к плунжерам зависит от давления в дополнительных цилиндрах 29, т. е. от давления в факельной камере 44. Пружина 23 и поршень 28 взаимно уравновешивают силы, а профильный кулачок 22 занимает определенную позицию или автоматически меняет свое положение относительно плунжера 19, в зависимости от давления в факельной камере 44. Тем самым автоматически меняется подача сжатой среды в цилиндры 6 вы большую или меньшую сторону, выдерживая максимальное извлечение полезной работы из нестабильного давления в факельной камере 44.

Для нормального горения факела в факельную камеру постоянно подается избыточное давление воздуха. Осуществляется это при совершении возвратно-поступательного движения поршня 7 в цилиндре 6. При увеличении объема пор поршнем 7, в цилиндр 6 из атмосферы через отверстия 39, 40 и впускной клапан 35 засасывается воздух. Совершая рабочий ход поршень 7 сжимает объем в цилиндре 6 под поршнем, увеличивая давление на выпускной клапан 36. Когда давление воздуха под поршнем превысит давление в камере 44 плюс усилие пружины 38, выпускной клапан 36 откроется и сжатый воздух устремится по трубопроводу 41 в общий трубопровод 42 и через вводной канал 43 поступит в факельную камеру 44 на испаритель топлива 49, поддерживая горение факела.

Кроме этого, при увеличении давления в факельной камере 44, парогазовое давление по каналу 94 и трубопроводам поступает в отверстие 93 и через открытый золотник 96 в цилиндр 84. Поршни 85 и соединяющий их шток 86 перемещаются, а вместе с ними и лапки 87, закрепленные на штоке. От углового поворота лапок в цель 88 вставлена ось 89 и закреплена на панели 79. Поршни 85 со штоком, приближаясь к крайней точке, лапкой 87 перемещает рычаг 103 (фиг. 5). Пружина 105, натянутая на стойку 104, вначале растягивается и при переходе нейтральной точки, сокращаясь, концом рычага 103 давит на выступ 100, закрепленный на штанге 99. Под усилием пружины 105 штанга с золотниками 96 на концах перемещается в другую крайнюю позицию, перекрывая атмосферное отверстие 92 и открывая отверстие 93 для прохода парогазового давления из канала 94. При работе одного поршня, другой оппозитный поршень вытесняет отработанную среду в атмосферу. Таким образом, возвратно-поступательное движение штанги с поршнями перемещает лапки, которые перекидывают рычаг со стойкой, аккумулирют силу в пружине и затем отдают на перемещение штанги с золотниками, управляя подачей парогазового давления в поршень и удалением его в атмосферу. При этом, повышенное давление жидкости в испарителе, по отношению парогазового давления в факельной камере, обеспечивается за счет большей поверхности площади над поршнем, по сравнению с площадью под поршнем.

На стенке факельной камеры 44 установлен регулируемый клапан давления 68. В нормальном состоянии клапан жестко закрыт. В работу клапан давления вводят поворотом рукоятки 82 против хода часовой стрелки. Пружина 78 повернет блок-эксцентрик 76 по ходу часовой стрелки, натягивая гибкую связь 80, расклинит упор 75. Пружина 73 разожмется, парогазовое давление пересилит усилие пружины на клапан 68 и откроет его. Парогазовое давление прорвется в канал 71, а оттуда к потребителю, например, в теплообменник, в газопривод и т. д. Поворачивая блок-эксцентрик 76 и регулируя положение упора 75, тем самым мы регулируем жесткостью пружины 73, т.е. регулируем парогазовым давлением, идущим в канал 71. В камере 44 парогазовое давление регулируется нажатием на педаль 56, т.е. изменением площади поверхности испарителей топлива и воды. Факельная камера гасится отключением подачи топлива.

Применение факельной силовой установки позволяет максимально извлечь полезную работу вращательного движения при сжигании топлива, т.е. повышает КПД. Упрощается конструкция силовой установки, снижается металлоемкость на выработку мощности, она неприхотлива к топливу жидкому и газообразному, не нуждается в присадках, причем уменьшается токсичность продуктов горения. Устройство не нуждается в механическом приводе для запуска его в работу, например, в стартере и не требует системы охлаждения.

Использование: в машиностроении, при проектировании силовых установок с аксиально-поршневыми машинами с качающимся диском. Сущность изобретения: в подпоршневой части выполнен компрессор, его канал сжатого воздуха направлен в газопривод через подключенную факельную камеру со свечой каления, с регулируемыми испарителями топлива и воды, установленными последовательно по ходу потока воздуха, подпитанными специальными насосами давления, поршневые приводы которых сообщены с факельной камерой. На стенке камеры установлен регулируемый клапан давления. Насосы испарителей размещены под оппозитными поршнями силовых цилиндров с общим штоком. По внутреннему периметру факельной камеры выполнен дополнительный регулируемый испаритель воды, увеличивающий поверхность испарения. Ступенчатый компрессор содержит на валу дополнительную турбину. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Факельная силовая установка, содержащая газопривод, включающий оппозитно расположенные цилиндры с поршнями, попарно соединенными штоками, выходной вал и компрессор, подключенный к газоприводу каналом, отличающаяся тем, что в канал, сообщающий газопривод и компрессор, включена факельная камера со свечой каления, с регулируемыми испарителями топлива и воды, установленными последовательно по ходу потока воздуха и подключенными к насосам, поршневые приводы которых сообщены каналами с факельной камерой, на стенке которой установлен регулируемый клапан давления. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена поворотной подпружиненной стойкой и кинематически связанной с ней штангой с оппозитными золотниками, установленными с возможностью переключения каналов подвода и отвода к цилиндрам, штоки снабжены направляющими и лапками, закрепленными с возможностью силового взаимодействия со стойкой, а насосы испарителей расположены под поршнями. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что по внутреннему периметру факельной камеры расположен дополнительный регулируемый испаритель воды. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что компрессор выполнен ступенчатым и снабжен установленной на воду дополнительной турбиной.