ПАРОГАЗОВЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ РОТОПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 1998 года по МПК F01K21/00 F02G3/00 

Изобретение относится к области двигателестроения, а более конкретно - к устройствам, представляющим собой сборную комбинированную камеру сгорания, отделенную от двигателя и работающую на подводимом извне давлении, жидком или газовом топливе и воде.

Конструкция термодинамической части силового устройства должна быть разработана с учетом требований времени при удорожании энергоносителей, ужесточения норм на выбросы продуктов сгорания и возросших потребностях эксплуатационных удобств, причем разработана для легковых автомобилей, содержащих цилиндропоршневые группы непосредственно на полуосях.

Предлагаемое изобретение раскрывает лишь часть комплексного технического решения под названием "Автомобиль с реакторным двигателем", остальные части которого относятся к самостоятельным разработкам.

Известны силовые устройства с отделением камерами сгорания, наиболее близким аналогом из которых является двигатель типа дизеля по патенту ФРГ N 894937, по кл. 46a, 8 от 1958 г. Отделенная, в этом патенте, камера сгорания выполнена в виде тигеля (вмонтированной керамической печи) и сообщена трубопроводами с впускными и выпускными окнами цилиндропоршневой группы клапанного четырехтактного кривошипно-шатунного механизма, от тактов "впуск-сжатие" которого сжатый воздух по схеме патента проходит через трубопровод с форсункой в сетчатые отверстия тигеля с целью сгорания топливо-воздушной смеси.

Однако решение-прототип имеет главный недостаток - крайне низкий КПД. Это объясняется несовмещением функций отделенной камеры сгорания с кривошипно-шатунными функциями силового механизма, который дает наилучшие топливо-экономические и тяго-скоростные показатели автомашин только на импульсной, присущей ему термодинамике, требующей надпоршневого сгорания. По этим причинам решение по патенту ФРГ N 894937 и другие подобные ему устройства не нашли практического применения.

В предлагаемом техническом решении сделана попытка выхода двигателестроения из тупика на качественно новый уровень - что можно считать основной задачей и техническим результатом изобретения, т.к. такой, основанный на современных тенденциях развития подход меняет представление о тепловом двигателе, его работе и возможностях извлечения выгод.

Указанный результат достигается тем, что парогазовый реактор питается сжатым воздухом, вырабатываемым не цилиндропоршневыми группами связанного силового узла, а пневморекуператором при движении автомобиля, размещенным на другой оси и связанным с реактором (через дорожную поверхность) и накопителями. При безимпульсном сгорании и непрерывной подаче сжатого воздуха в реактор с давлением 10 - 12 кг/см² - что эквивалентно среднему давлению в цилиндрах кривошипно-шатунных устройств - и отсутствии взрывных, детонационных процессов достигается полнота сгорания с минимальными потерями на теплообмен за счет направления продуктов охлаждения в цилиндры силовых устройств.

Кроме описанных выше достоинств, применение парогазового реактора дает возможность управления термодинамическим процессом, т.е. подчинить компрессорные и силовые функции требованию экономного расхода топлива; по сравнению с известными силовыми устройствами данный реакторный силовой узел той же мощности может экономить горючее примерно на 50%.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 в боковом разрезе показано устройство парогазового реактора; стрелками с точечной штриховкой и линейной штриховкой кинематически воспроизведен процесс направленного, отделенного от стенок сгорания в одной точке объема с момента "сталкивания частиц" (отмечено радиальными стрелками) и выходом энергогазов через окна, а раздвоенными стрелками воспроизведен процесс охлаждения с выходом пара (отмечено контурными стрелками) через упомянутые окна. Контурными стрелками в районе распылителя показано поступление и направленное перемещение пневмодавления извне, контурными малыми стрелками - продувка.

Для отдаления процесса сгорания от стенок и направления парообразования от охлаждения на полезную работу в цилиндры двигателя корпус парогазового реактора выполнен шарообразной формы и содержит сборную на резьбовых соединениях трехслойную конструкцию с малой, средней и внешней сферическими секциями, входящими одна в объем другой.

Малая секция смесеобразования выполнена заодно с боковым фланцем 1 и соосными, проходящими диаметрально по оси фланца отверстиями, из которых выходное расточено до середины объема, а другое, совмещенное с фланцем, выполнено резьбовым. В расточку запасована дискообразная выпукло-вогнутая пружина 2, разделенная радиальными пропилами на лучи, и тем же с окружным зазором установлено на радиальных опорных шпильках препятствующее осевому смещению пружины съемное жароупорное кольцо, выполненное изнутри по сферическому контуру секции для фокусирования горячей смеси в объеме средней секции и скругленное с торца. Пружина соединена на некотором расстоянии с дисковой выпукло-вогнутой крышкой 3 с помощью запрессованной в их центровые отверстия трубчатого жиклера 4, соосного отверстиям секции (соединение может быть резьбовым с промежуточной втулочной распоркой и конической гайкой), при этом пружина и крышка вогнутыми сторонами обращены в жароупорному кольцу с возможностью ограждения в рабочей (средней) секции фронта высокотемпературного горения и открытия-закрытия крышкой выходного отверстия степенью нагрева пружины, т. е. для выполнения клепанных функций. Средняя (рабочая) секция 5 реактора выполнена с конусообразным фланцем по краю резьбового отверстия, которым соединена с фланцем малой секции, где последняя размещена в объеме со смещением по оси соединения. На наклонных стенках конусообразного фланца, в местах соединительных площадок, размещены направленные в объем окна 6 и боковые в окнах проходы, направленные на внешнюю поверхность секции (отмечено на фиг.1 пунктиром), между которой и стенками объема внешней секции 7 образована щелевая полость 8 охлаждения механизмом впрыска, сообщенная с упомянутыми окнами боковыми в них проходами.

Снаружи на внешней секции противоположно резьбовым соединениям размещен втулочный выступ с боковыми штуцером 9 пневмоканала 10. На уровне этого канала в выступе размещен противоположно отводной канал 11, сообщенный с упомянутой щелевой полостью. Рядом с выступом на внешней секции размешен патрубок 12 воздушного охлаждения реактора, канал 13 которого имеет поперечный вентильный клапан 14. Выступ соединен резьбой с коробчатой емкостью 15, выполненной в днище с центровым гнездом, в которое запасована шнековая гидролопасть 16. На уровне каналов в цилиндрической полости выступа размещена пневмотурбинка 17. Шнековая лопасть и пневмотурбинка закреплены на концах полой оси 18, выходные отверстия которой 19 выполнены за лопастью и турбинкой поперечно. Средней частью полая ось свободно установлена на телах скольжения, запрессованных в цилиндрическую полость с выходом конца за пневмотурбинкой через отверстие стенки секции в щелевую полость, а конца за шнековой гидролопастью - в гнездо коробчатой емкости, наполненной водой.

Со стороны фланца малая секция реактора соединена резьбовым отверстием с передним концом втулочного корпуса 20 клапанного распылителя вентильного типа. Корпус распылителя выполнен с наклонным отводом 21 большого диаметра для прохода пневмодавления из накопителя. Его канал 22 сообщен с расточенной кольцеобразно 23 полостью переднего конца. Противоположный на корпусе отвод 24 мелкого диаметра сообщен каналом 25 с кольцевой канавкой 27, выполненной изнутри корпуса. В стенке корпуса между полостью и наружной резьбой переднего конца размещены топливные каналы 26, выходящие в объем секции, а штуцер 28 водоподачи вмонтирован под острым углом в стенку наклонного отвода.

Кроме отводов пневмодавления и топливных каналов, на втулочном корпусе выполнены под углом сообщающиеся со стороны его внутренней полости маслоканалы 29 поточной смазки без давления трубчатого стержня клапана, установленного в полости со скользящей посадкой и обращенного в объем секции кольцевой тарелкой 30, могущей совершать торцевые открытия - закрытия кольцеобразной полости распылителя вращательным и поступательными движениями трубчатого стержня.

На уровне упомянутой кольцевой канавки корпуса стенки трубчатого стержня имеют отверстия, сообщающиеся через долевые канавки 31 запасованного внутрь изолятора с центральным электродом. Передний конец электрода углублен с зазором в расточку трубчатого жиклера для искрообразования, при этом на утолщенной, контактной с отверстием клапанной тарелки тыльной части жиклера выполнены торцевые пропилы стенок. Привод клапана размещен сзади, на передней части его трубчатого, стержня, содержит закрепленную на конце шестерню 32, состоящую во взаимодействии с зубчатой рейкой 33 (экселератором), и опорную гайку 34 с возможностью ее осевого смещения в торцевом граненом гнезде втулочного корпуса.

Работа парогазового реактора состоит в следующем.

До начала работы кольцеобразная полость 23 и топливные каналы 26 закрыты тарелкой 30 трубчатого стержня клапана, отведенного по резьбе опорной гайки 34 в крайнее заднее положение зубчатой рейкой 33, при этом выходное отверстие малой секции закрыто крышкой 3 с минимальным прогибом радиальных лучей пружины 2.

Перекрыта вода в штуцере 28 и пневмонапор в отводе малого диаметра 24 распылителя.

Разогрев реактора начинается с поступления пневмодавления по каналу 22 и кольцеобразной полости 23 в объем малой секции через зазор между клапанной тарелкой и торцом резьбового конца втулочного корпуса распылителя 20, регулируемый вращением шестерни 32. Проходя мимо топливных каналов 26, сжатый воздух с давлением 10-12 кг/см² будет перемешиваться с топливом и заполнять объем при одновременном искрообразовании между электродом и трубчатым жиклером 4. Взрывным горением смеси давление в объеме малой секции повысится и примет клапанную тарелку к входному отверстию, а с ней через трубчатый стержень сместит опорную гайку 34 в граненом гнезде распылителя.

Из-за телообмена и наличия зазоров давление понизится и даст возможность открытия клапанной тарелки под пневмонапором. Периодическим открытием-закрытием впускного отверстия при начальном взрывном горении лучи пружины 2 будут удлиняться и смещать трубчатый жиклер по оси с углублением утолщенной части с клапанную тарелку. Этим смещением жиклер отведет крышку 3 от выходного отверстия и, горящая топливно-воздушная смесь, омывая сферу, устремится через кольцевой зазор 35 в объем средней секции 5: будет фокусироваться в точке 36 и сгорать в распылении, как предполагается, за счет соударений частиц с высокой температурой, которая будет регулироваться добавлением из штуцера 28 водоподачи пневмо-жидкостной эмульсии.

При полном разогреве в канал 10 штуцера 9 механизма охлаждения поступит пневмодавление, которое будет вращать турбинку 17 и выходить через канал 11 в щелевую полость 8, а вода из гнезда коробчатой емкости 15 под давлением вращающейся с турбинкой шнековой гидрополости будет через канал оси и поперечные отверстия 19 впрыскиваться в щелевую полость кругообразно с превращением в пар, который через боковые проходы окон конусообразного фланца будет поступать с энергогазами в цилиндры двигателя.

Отходящие от окон, покрытые теплоизоляцией и объединенные распределительным узлом трубопроводы служат реактору опорой в шарнирном соединении с полуосевыми двигателями (на чертеже не показано). Работа парогазового реактора с цилиндрами ротопоршневых двигателей происходит с перепадом давления на впуске и выпуске термопроцесса не более 1 кг/см² (при поступлении пневмонапора в реактор с давлением 10 кг/см² сгорание и выход парогазового давления будет в пределах 9-9,5 кг/см²).

Интенсивность энергопотока регулируется клапаном распылителя при перемещении зубчатой рейки 33, связанной с педалью акселератора. Повышение давления парообразованием от интенсивного охлаждения автоматически прикроет впускное отверстие клапанной тарелкой 30 до упомянутого перепада давлений на впуске и выпуске реактора. Поддув в очаг горения сжатого воздуха (или газа), поступающего по каналу 25 отвода 24 распылителя, его внутренней канавки 27 и продольные канавки 31 изолятора, происходит через трубчатый жиклер 4.

Использование: в области двигателестроения, конкретно - в устройствах со сборной комбинированной камерой сгорания (КС), отделенной от двигателя и работающей на внешнем давлении жидкого или газообразного топлива и воды. Сущность изобретения: реактор содержит КС в виде вложенных друг в друга шаровых секций с рабочим внешним давлением 10-12 атм. Такие секции обеспечивают направленность горения от центра объема к стенкам с возможностью распыления, фокусировки и соударения частиц топлива. Реактор совмещается с соответствующими силовыми ротопоршневыми устройствами (РПУ) и пневморекуператорами, размешенными в полуосях, что упрощает устройство автомобиля, расширяет салон в малогабаритном исполнении кузова и уменьшает массу до 500-600 кг. Работа реактора с РПУ происходит без высоких перепадов давления. в отличие от кривошипно-шатунных механизмов; РПУ заполняются постоянным парогазовым давлением, несколько меньшим поступающего в реактор внешнего пневмодавления (от рекуператоров). 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Парогазовый реактор для ротопоршневых двигателей, содержащий многослойный корпус, размещенные в корпусе один в другом объемы, сообщенные с цилиндрами двигателя через внешние трубопроводы, связанные с распылителем, топливоканалом и клапанами, отличающийся тем, что для отдаления высокотемпературного сгорания от стенок и направления паровыделения от охлаждения на полезную работу двигателя корпус реактора выполнен шарообразной формы, содержит односторонне соединенные на промежуточных кольцевых фланцах малую, среднюю и внешнюю секции со сферическими стенками, причем малая секция по линии соединения смещена в объеме средней, где выполнена за одно с боковым фланцем в плоскости стенки и с соосными проходящими по линии указанного соединения и фланца отверстиями, нарезным отверстием со стороны фланца соединена с передним концом втулочного корпуса клапанного распылителя вентильного типа, причем распылитель выполнен с разветвленными по бокам отводами для прохода пневмодавления из накопителя и содержит в полости трубчатый стержень с обращенной в объем секции кольцеобразной тарелкой и проходящим через ее отверстие центральным электродом, который концом углублен в расточенную для искрообразования часть соосного трубчатого жиклера, запрессованного в центровые отверстия размещенных в объеме малой секции выпукло-вогнутой пружины с радиальными лучами и выпукло-вогнутой крышки для закрытия выходного отверстия, а внешней резьбой фланца данная секция соединена с нарезным отверстием средней секции, выполненной по краю отверстия с внешним конусообразным фланцем и размещенными на его наклонных стенках окнами, направленными в объем средней секции, и выполненными в окнах боковыми проходами на внешнюю поверхность секции, между которой и внутренней поверхностью концентричной внешней секции, соединенными на фланце резьбой, образована щелевая полость охлаждения с механизмом впрыска, который размещен противоположно резьбовому соединению на внешней секции в цилиндрической полости втулочного выступа, связанного с коробчатой емкостью, и состоит из пневмотурбинки и шнековой гидролопасти, закрепленных на краях полой оси, которая установлена на телах скольжения с возможностью сообщения с указанной щелевой полостью через поперечные выполненные за турбинкой и лопастью концевые отверстия и отверстие в стенке внешней секции, а также размещенного в днище указанной емкости гнезда, взаимодействующего с гидролопастью. 2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что выходное отверстие малой секции расточено с торца до середины объема, куда за дискообразной пружиной установлено с зазором на опорных шпильках жароупорное кольцо, выполненное изнутри по сферическому контуру объема малой секции для фокусирования выходящей горючей смеси в центральной точке объема средней секции и измельчения частиц соударениями, причем пружина с крышкой обращены к жароупорному кольцу вогнутыми сторонами с возможностью ограждения крышкой границы высокотемпературного горения и открытия-закрытия упомянутого отверстия пружиной при различной степени ее нагрева. 3. Реактор по п.1, отличающийся тем, что на втулочном корпусе клапанного распылителя боковой отвод большого диаметра выполнен наклонно и содержит вмонтированный под острым углом штуцер водоподачи, а каналом отвод сообщен с расточенной в переднем конце корпуса кольцеобразной полостью с возможностью открытия-закрытия ее тарелкой клапана, имеющего в полости стержня изолятор с продольными канавками сообщения с трубчатым жиклером и через кольцевую канавку на внутренней поверхности корпуса - с боковым отводом малого диаметра, при этом для смазки трубчатого стержня клапана в стенке корпуса размещены под углом друг к другу сообщающиеся на внутренней поверхности маслоканалы. 4. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что сзади на нарезной части на трубчатом стержне клапана размещена опорная граненая гайка, взаимодействующая с граненым торцевым гнездом втулочного корпуса распылителя, а на конце нарезки закреплена шестерня, введенная в зацепление с зубчатой рейкой привода. 5. Реактор по п.1, отличающийся тем, что передний конец втулочного корпуса распылителя выполнен с наружной резьбой и топливными каналами, размещенными продольно в стенках с выходом в объеме малой секции. 6. Реактор по п.1, отличающийся тем, что пневмотурбинка механизма охлаждения размещена в полости выступа на уровне пневмоканала бокового штуцера и на уровне противоположного отводного канала, сообщенного с указанной щелевой полостью. 7. Реактор по п.1, отличающийся тем, что трубчатый жиклер находится утолщенной тыльной частью в подвижном контакте с отверстием клапанной тарелки и выполнен в этой части с долевыми пропилами стенок. 8. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что на внешней секции корпуса размещен патрубок воздушного охлаждения, в канале которого установлен вентильный клапан.