КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02C5/12 

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к машиностроению, т.е. к двигателестроению. Предназначено для использования на автомобилях.

Уровень техники
В качестве аналога принята газотурбинная установка со сгоранием топлива при постоянном объеме /DE, патент 1273263, F 02 C 5/12, 1968 г./, являющаяся двухвальной, один из валов является тяговым. Валы приводятся от насаженных на них турбин. Компрессорная турбина, которая во время работы вращается с постоянной частотой, что является особенностью, приводит компрессор. С компрессорного вала через безступенчатый фрикционный редуктор приводятся два распределительных диска с пазами. Диски расположены с передней и задней стороны камер сгорания и служат для открытия и закрытия последних, что нужно для обеспечения сгорания при постоянном объеме камеры. Из камеры сгорания газы попадают в смеситель, через нее на сопло, на турбины. В смесителе газы смешиваются с воздухом, идущим от компрессора. Во время работы установки с помощью редуктора меняется частота происходящих в камере сгорания циклов сгорания, что осуществляется через изменение частоты вращения дисков. Недостатком установки является невозможность перекрытия /т.е. прекращение/ передачи вращения на тяговый вал во время работы, температурные условия работы турбин, сложность, нетехнологичность, ненадежность, низкая экономичность и тяжелые условия работы катализатора отработавших газов /при установке последних на двигателе/.

Сущность изобретения
Технической задачей является отказ от сцепной муфты на тяговом валу, повышение эффективности сгорания в камере и обеспечение стехиометричности сгорания /для уменьшения вредности выхлопа на режимах работы двигателя/, изменение управления работой двигателя, повышение надежности и ресурса деталей работающих под трением и высокой температурой, а также повышение эффективного КПД двигателя и улучшение условий работы катализатора отработавших газов. Задачи решаются следующим образом. Газы из камеры сгорания на турбины подаются через расширяющиеся сопла /сопло Лаваля/. В сопле газы приобретают определенную скорость, а также расширяются. Температура газов к концу расширения падает, что создает необходимые условия работы турбин. При движении автомобиля для создания эффекта, который в конечном виде выражается в повышении эффективного КПД двигателя, применяется устройство забора набегающего потока воздуха /т. е. диффузор/ и общее расширяющееся сопло. При движении автомобиля двигатель работает как прямоточный. Повышение эффективности сгорания в камере осуществляется применением впускного и выпускного клапанов /для сгорания без утечек газов/. Причем в камерах сгорает горючая смесь стехиометрического состава, т.е. смесь с определенным и постоянным коэффициентом избытка воздуха. Для уменьшения вредности выхлопа газы пропускаются через катализатор, что необходимо для повышения экологичности. При смешении газов с набегающим потоком воздуха температура газов понижается дополнительно, что обеспечивает улучшение условий работы катализатора. Для увеличения ресурса уплотнителя /в компрессорах/ он выполняется самосмазывающимся, т.е. в уплотнитель заложена смазка. Управление изменения выходной мощности осуществляется через изменение частоты вращения вала компрессора. Для этого истечение газов из камеры сгорания, предназначенной для привода турбины /т.е. его вращения/, установленной на вал компрессора, регулируется через дроссель-клапан /изменением величины ее хода во время работы/. Для прекращения крутящего момента на выходном валу предусматривается прекращение подачи топлива в основные камеры сгорания и одновременная декомпрессия в камерах через выпускные клапаны. Последнее также способствует облегчению запуска, повышению экономичности и экологичности в определенных режимах работы двигателя. Для облегчения запуска также возможна подача дополнительного горючего в камеру сгорания приводящей компрессоры секции, что особенно необходимо при работе двигателя на цикле со сгоранием в камере при применении свечи. Газы, истекающие из камер сгорания, смешиваются с воздухом, идущим по воздуховоду /диффузору/ и расширяются в общих соплах.

Перечень чертежей и иных материалов
Графические материалы представлены на пяти чертежах.

На фиг. 1 дан вид при рассмотрении сбоку. Позволяет определить взаимное расположение компрессоров, камер сгорания, турбины привода компрессоров с соответствующими соплами, тяговой турбины с выходным валом, блока формирования топливоподачи.

На фиг. 2 представлено взаимное расположение тяговой турбины, сопла подачи газов на нее, общего сопла, выпускного клапана с приводом, камеры сгорания и компрессора подачи воздуха в камеру сгорания.

На фиг. 3 представлено взаимное расположение турбины привода компрессоров, сопла для подачи газов из камеры сгорания с выпускным управляющим дроссель-клапаном, привода дроссель-клапана.

На фиг. 4 представлен вариант исполнения впускного клапана компрессоров и привод этого клапана.

На фиг. 5 представлен кулачок привода дроссель-клапана.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения:
А. Описание в статическом состоянии:
Установка включает следующие основные функционирующие части: основные компрессоры 25, компрессор 1, турбину 2 привода компрессоров, вал 3 компрессоров, сопло 4, дроссель-клапан 10, камеру сгорания 37, форсунку 11, воздуховод 5, заслонку 9, блок формирования топливоподачи 18, камеры сгорания 23 с клапанами, тяговую турбину 29 с выходным валом 22, воздуховод 8 с заслонкой 13. Компрессоры 25 и 1 представляют роторы 26, эксцентрично расположенные на валу 3. Расположены в корпусе 27 и имеют впускной патрубок 24, уплотняющую лопатку 36. Компрессор 1 ведущей секции связывается через клапан 12 с камерой сгорания 37, а компрессор 25 связывается через клапан 35 с основными камерами сгорания 23. В камерах сгорания 23 и 37 устанавливаются форсунки 15 и 11. В основных камерах сгорания 23 устанавливаются выпускные клапаны 34. Камеры сгорания 23 связаны с расширяющимися соплами 49 тяговой турбины 29. Турбина 29 установлена на выходном валу 22 и расположена в корпусе 21, имеющем выпускной патрубок 28. Камера сгорания 37 ведущей секции связана с расширяющимся соплом 4 и предназначена для подачи газов на турбину 2 для привода компрессоров 1 и 25. Турбина 2 установлена на вал 3, расположена в корпусе 41, имеющем выпускной патрубок 42. В камере сгорания 37 устанавливается дроссель-клапан 10. Дроссель-клапан 10 приводится кулачком 38 через рычаг 39 и имеет направляющую 40. Выпускные клапаны 34 приводятся кулачком 32 через рычаг 31 и имеют направляющую 33.

Впускные клапаны 12 и 35 камер сгорания 37 и 23 конструктивно схожи. Имеют тягу 45, направляющий цилиндр 47 с уплотнителем 46. Цилиндр 47 через перемычку 48 связан непосредственно с клапаном /на фиг. 4 - это клапан 43/.

Кулачок 38 выполнен сложным по профилю и переменным по высоте /относительно его оси перемещения во время работы/. Кулачок 38 для регулирования /т.е. изменения/ частоты вращения компрессоров имеет возможность перемещения по оси вала приводящего этот кулачок. Впускные клапаны приводятся через кулачки 44. Вращение кулачков 38, 32, 44 осуществляется от вала 3 компрессоров. Блок 18 формирования топливоподачи может представлять механический топливный насос циклической подачи топлива и его работа синхронизирована с вращением вала 3. В блоке формирования топливоподачи возможно разделение управления топливоподачей в камеры сгорания 37 и 23. Уплотняющие лопатки 36 представляют лопатки, в которых предусмотрена возможность самосмазывания, т. е. в отверстия, просверленные в них, заложена твердая смазка. Роторы 26 и лопатки 36 делят рабочую полость компрессоров на две части. Расширяющиеся сопла 4 и 49 представляют сопло Лаваля. В топливном насосе 18 возможно разделение управления топливоподачей, т.е. управление топливоподачей секцией 17 сблокированное, а секцией 16 - отдельное, что особенно важно при работе двигателя на тяжелых топливах, т.к. возможно дополнительное улучшение экологичности. При работе на бензине топливный насос можно выполнить с использованием элементов электрических устройств, а также предусматривается система зажигания. Для более приемлемых условий работы двигателя работа секций компрессора 25 происходит в противофазе, т.е. максимально удаленные точки роторов расположены со сдвигом. Газы, выходящие из сопел 4 и 49, смешиваются с воздухом, идущим через диффузоры 14 и 5. После смешивания для дополнительного повышения скорости их истечения предусмотрены сопла 30 и 50. В воздуховодах установлены заслонки 13 и 9.

Б. Описание работы устройства:
Работа двигателя при движении транспортного средства происходит следующим образом. С выходного вала 22 снимается максимальная мощность. В компрессоры 1 и 25 через патрубки 24 поступает воздух. Одновременно воздух сжимается роторами 26 в полости сжатия. Сжимаемый воздух подается через открытые клапаны 35 и 12 в камеры сгорания 23 и 37. При этом допустимо, чтобы в определенный момент поступления воздуха в камеры сгорания 23 и 37 оказались открытыми также и выпускной дроссель-клапан 10, а также клапаны 34. Это необходимо для продувки камер сгорания. Далее выпускной дроссель-клапан 10 и клапан 34 закрываются. Компрессоры продолжают сжатие воздуха, давление и температура которого повышаются. При достижении максимально /от центра вращения/ удаленной точки роторов верхнего положения сжатие и нагнетание воздуха в камеры сгорания 23 и 37 заканчивается. Заканчивается впуск воздуха в компрессоры, а также происходит закрытие впускных клапанов 12 и 35. В камеры сгорания 23 и 37 форсунками 15 и 11 подается топливо, которое сгорает, сопровождаясь повышением давления и температуры. Роторы 26, относительно вращения которых рассматриваются происходящие в двигателе процессы, вращаются дальше. При определенном их положении, когда в камерах 37 и 23 сгорает основная масса поданного топлива, открываются дроссель-клапан 19 и выпускные клапаны 34. Газы из камеры 37 по соплу 4 подаются на турбину 2 привода компрессоров 1 и 25. А из камеры 23 по соплам 49 подаются на турбину 29. Особенностью истечения газов является максимально возможная скорость истечения, что достигается установкой общих сопел 50 и 30. Поскольку рассматриваем максимально развиваемую мощность, то максимально возможная скорость истечения приходится на наибольшую скорость движения транспортного средства. Для достижения вышеизложенного двигатель работает как прямоточный /эффективное КПД которых достигает 0,7 - 0,8/. После завершения истечения газов из камер сгорания 37 и 23, в которых давление падает до минимального, открываются впускные клапаны 12 и 35. Камеры сгорания продуваются и описанный выше процесс повторяется. Особенностью режима максимальной мощности является также максимальный ход дроссель-клапана 10. При этом критическое сечение сопла 4 оказывается максимальным, что дает возможность истечения газов из камеры 37 за самое короткое время. Изменяя величину критического сечения сопла 4 /дросель-клапаном 10/ добиваемся изменения частоты вращения вала компрессоров. При этом также изменяется частота происходящих в камере сгорания 37 и 23 циклов сгорания, но работа, совершаемая газами, остается одинаковой при различных частотах вращения вала компрессоров. Последнее связано также с подачей постоянного количества топлива, приходящегося на каждый цикл сгорания, что позволяет работать двигателю как стехиометрическому. Газы, попадающие на турбину, смешиваются с атмосферным воздухом и температура газов понижается. Их более низкая температура более благоприятна для работы турбин и катализатора отработавших газов. Во время движения транспортного средства заслонки 9 и 13 открыты. Воздух поступает проходя предохраняющие сетки 6 и 7. Заслонки 9 и 13 служат для оптимизации количества воздуха, проходящего через диффузоры. Топливо к блоку 18 формирования топливоподачи поступает от бака 19 по трубам 20. Блок 18 представляет собой топливный насос циклического действия. Выбор критического сечения расширяющихся сопел производится с учетом времени истечения газов из камер сгорания. Газы и воздух, попадающие в общие сопла 50 и 30 /при истечении из сопел 4 и 9 и подающиеся к сужающемуся диффузору 5 и 14/ получают дополнительное ускорение, газы при этом отдают воздуху свою тепловую энергию. В данном процессе в двигателе возникает /как конечный итог/ прирост эффекта работы. Газы, попадающие в общие сопла двигателя, расширяются, приобретая дополнительную скорость.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием топлива в постоянном объеме содержит компрессоры, установленные на единый вал с приводящей турбиной, свободную тяговую турбину, установленную на выходном валу, камеры сгорания, блок формирования топливоподачи к форсункам камер сгорания и компрессоры циклического действия. Выпускной клапан камеры сгорания, приводящей компрессоры турбины, выполнен дроссельным. Для повышения эффективности истечения газов из сопел камеры сгорания предусмотрены диффузоры и общие расширяющиеся сопла. Выпускные клапаны камер сгорания свободной тяговой турбины выполнены декомпрессионными. 5 ил.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием топлива в постоянном объеме, содержащий компрессоры, установленные на единый вал с приводящей турбиной, свободную тяговую турбину, установленную на выходном валу, камеры сгорания, связанные через клапаны с компрессорами и расширяющимися соплами подачи газов на турбины, блок формирования топливоподачи к форсункам камер сгорания и компрессоры циклического действия, отличающийся тем, что выпускной клапан камеры сгорания, приводящей компрессоры турбины, выполнен дроссельным, для повышения эффективности истечения газов из сопел камер сгорания предусматривают диффузоры и общие расширяющиеся сопла, при этом выпускные клапаны камер сгорания свободной тяговой турбины выполнены декомпрессионными.