КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ СО СГОРАНИЕМ ТОПЛИВА В ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ Российский патент 2001 года по МПК F02C5/12 

1. Название изобретения и класс по МКИ:
Комбинированный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием топлива в постоянном объеме.

- класс по МКИ не установлен.

2. Область техники, к которой относится изобретение:
Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению. Предназначено для использования на автомобилях.

3. Уровень техники:
В качестве аналога принята газотурбинная установка со сгоранием топлива при постоянном объеме. /DE, патент 1273263, F 02 C 5/12, 1968 г., 6 л/. Она является двухвальной, одна из которых свободная и является тяговой. Валы приводятся от насаженных на них турбин. Компрессорная турбина приводит компрессор, которая во время работы вращается с постоянной частотой, что является его особенностью. С компрессорного вала через бесступенчатый фрикционный редуктор приводятся два распределительных диска с пазами. Диски расположены с передней и задней стороны камер сгорания и служат для открытия и закрытия камеры сгорания, что нужно для обеспечения сгорания при постоянном объеме камеры сгорания. Из камеры сгорания газы поступают в смеситель, через нее на сопло, далее на турбины /для вращения последних/. В смесителе газы смешиваются с воздухом идущем от компрессора. Во время работы с помощью редуктора меняется частота происходящих в камере сгорания циклов сгорания. Это осуществляется через изменение частоты вращения дисков.

Недостатком установки является невозможность перекрытия вращения на тяговый вал во время работы двигателя, а также температурные условия работы турбин, сложность, нетехнологичность, ненадежность, низкая экономичность и тяжелые условия работы катализатора отработавших газов при случае их установки на двигатель и, как следствие, их малая эффективность.

4. Сущность изобретения:
Технической задачей является повышение эффективности сгорания в камере сгорания, сведение до минимума вредности выхлопных газов на всех частотах и режимах работы двигателя, изменение управления работой двигателя, повышение надежности и ресурса деталей, работающих под трением и высокой температурой, повышение эффективного КПД.

Заданные задачи решаются следующим образом. Газы из камеры сгорания на турбины подаются через расширяющиеся сопла /например, сопло Лаваля/. В соплах газы приобретают определенную скорость, а также расширяются. При этом температура газов падает, что создает более приемлемые условия работы турбин. При движении автомобиля для создания эффекта, который в конечном виде выражается в повышении эффективного КПД двигателя, применяются устройства забора набегающего потока воздуха /диффузоры/ и общие расширяющиеся сопла. Они необходимы для работы двигателя в качестве прямоточного воздушно-реактивного. То есть при движении автомобиля /и только при движении/ двигатель работает с эффектом прямоточного двигателя. Газы из сопла камер сгораний подаются при этом в область сужения сопла изменяемой геометрии, куда так же поступает набегающий из диффузора воздух.

Повышение эффективности сгорания в камере сгорания осуществляется применением впускного и выпускного клапанов, что необходимо для сгорания без утечек газов. В камерах сгорает горючая смесь стехиометрического состава, т. е. смесь с определенным и постоянным коэффициентом избытка воздуха. Для уменьшения вредности выхлопа газы пропускаются через каталитический нейтрализатор, что необходимо для повышения экологической приемственности двигателя. Для увеличения ресурса уплотнителя в компрессорах он наполняется самосмазывающимся. Т.е. в тело уплотнителя /в отверстия, просверленные в теле/ заложена смазка. Управление изменением мощности осуществляется через изменение частоты вращения вала компрессора. Для этого истечение газов из камеры сгорания, предназначенного для вращения турбины, что установлена на вал компрессора, регулируется через дроссель-клапан. Это достигается изменением величины ее хода во время работы. Для прекращения крутящего момента на выходном валу можно предусматривать прекращение подачи топлива в основные камеры сгорания и одновременную декомпрессию в камерах сгорания через выпускные клапаны. Декомпрессия также способствует облегчению запуска. Для облегчения запуска также возможна подача дополнительного горючего в камеру сгорания, приводящей компрессоры секции. Это особенно необходимо при работе двигателя на цикле со сгоранием в камерах при применении свечи зажигания, т.е. на цикле Отто.

5. Перечень фигур чертежей и иных материалов:
Графические материалы представлены на пяти фигурах.

На фиг. 1 дан вид при рассмотрении двигателя спереди. Позволяет определить взаимное расположение компрессоров, камер сгорания, турбины привода компрессоров с соответствующими соплами, тяговой турбины с выходным валом, блока формирования топливоподачи и определяет относительное расположение вышеназванных узлов между собой.

На фиг. 2 представлено взаимное и относительное расположение тяговой турбины, сопла подачи газов на нее из камеры сгорания, сопла изменяемой геометрии, выпускного клапана и впускного клапана камеры сгорания, компрессора подачи воздуха в камеру сгорания, диффузора подачи набегающего воздуха.

На фиг. 3 представлено относительное расположение турбины привода компрессоров, камеры сгорания с выпускным дроссель-клапаном и соплом подачи газов на турбину, сопла изменяемой геометрии, корпуса компрессора и корпуса тяговой турбины, диффузора подачи набегающего воздуха в область сопла изменяемой геометрии.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения сопла изменяемой геометрии, включающий тяги привода плоскостей, образующих данное сопло.

На фиг. 5 представлен кулачок привода дроссель-клапана.

На фиг. 4 стрелки показывают возможное перемещение деталей в ту или иную сторону.

6. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

А. Описание в статическом состоянии:
Установка включает следующие основные функционирующие части: компрессор 1, основные компрессоры 22, турбину 2 привода компрессоров, вал 3 компрессоров, сопло изменяемой геометрии 4, сопло 5 подачи газов на турбину 2, дроссель-клапан 6, камеру сгорания 7, форсунку 8, топливопровод 9, впускной клапан 10, воздухозаборники 11, топливопроводы 12, блок формирования топливоподачи 13, камеры сгорания 20 с форсунками 19, воздухоочистители 21, тяговую турбину 17 с выходным валом 18, топливный бак 16.

Компрессоры 1 и 22 представляют роторы 24, эксцентрично расположенные на валу 3. Роторы расположены в корпусе 25. Компрессоры /их полости/ сообщены с атмосферой через воздухоочиститель 21 и имеют разделительно-уплотнительную лопатку 23. Компрессор 1 связан с камерой сгорания 7 через впускной клапан 10. Компрессоры 22 также связаны с основными камерами сгорания 20 через впускные клапаны 10. В камерах сгорания 7 и 20 устанавливаются форсунки 8 и 19. В основных камерах сгорания 20 устанавливаются выпускные клапаны 32. Камеры сгорания 20 связаны с расширяющимися соплами 33. Турбина 17 установлена на выходном валу 18 и расположена в корпусе 28, связанном с каталитическим нейтрализатором 27 отработавших газов.

Камера сгорания 7 связана с расширяющимся соплом 5 и предназначена для подачи газов на турбину 2, которая установлена на валу 3. Турбина 2 установлена в корпусе 36. Корпус 36 связан с каталитическим нейтрализатором 27 отработавших газов. На выходе в сопло в камере сгорания 7 установлен дроссель-клапан 6. Кулачок 45 привода дроссель-клапана 6 выполнен сложным по профилю и переменным по высоте /относительно его оси перемещения во время работы/. Во время работы кулачок 45 совершает вращение, а также может перемещаться по направлению оси вала, приводящего данный кулачок. Впускные клапаны 10, выпускные клапаны 31, выпускной дроссель-клапан 6 приводятся в движение от вала 3 компрессоров. Блок 13 формирования топливоподачи может представлять механический топливный насос циклической подачи топлива. Его работа согласована с вращением вала 3. В топливном насосе возможно разделение управления топливоподачей. То есть управление топливоподачей секцией 15 сблокированное, а секцией 14 - отдельное. Это особенно важно при работе двигателя на тяжелых топливах /т.е. диз. топливе/, т.к. возможно дополнительное улучшение экологичности.

Уплотнительные лопатки 23 представляют лопатки, в которых предусмотрена возможность самосмазывания, т.е. в отверстия, просверленные в них, заложен смазывающий материал /например, солидол/. Лопатки 23 и роторы 24 разделяют рабочую полость компрессоров 1 и 22 на две части /полости всасывания и нагнетания/. Расширяющиеся сопла 5 и 32 представляют сопла Лаваля или максимально приближены по форме к соплу Лаваля. При работе на бензине топливный насос можно выполнить с использованием элементов электрических устройств, а также предусматривается система зажигания. Сопла изменяемой геометрии предназначены для дополнительного повышения скорости истекающих из камер сгорания газов, т.е. для повышения эффективного КПД двигателя, что возможно при движении транспортного средства.

Б. Описание работы устройства:
Работа двигателя при движении транспортного средства происходит следующим образом. С выходного вала 18 снимается максимальная мощность. В компрессоры 1 и 22 через воздухоочистители 21 поступает воздух. Одновременно воздух сжимается роторами 24 в полости сжатия. Сжимаемый воздух подается через открытые впускные клапаны 10 в камеры сгорания 7 и 20. При этом допустимо, чтобы в определенный момент поступления воздуха оказались открытыми также и выпускные клапаны 31 и выпускной дроссель-клапан 6. Это необходимо для продувки камер сгорания. Далее клапаны 31 и 6 закрываются. Компрессоры продолжают сжатие воздуха. Давление и температура его повышаются. При достижении роторов верхнего положения сжатие и нагнетание воздуха в камеры сгорания заканчивается. Заканчивается впуск воздуха в компрессоры, а также происходит закрытие впускных клапанов 10. В камеры сгорания 7 и 20 форсунками 8 и 19 подается топливо, которое сгорает, сопровождаясь повышением давления и температуры. Роторы 24 вращаются дальше. При их определенном положении, когда в камерах 7 и 20 сгорает основная масса поданного топлива, открываются выпускные клапаны 31 и дроссель-клапан 6. Газы из камеры 7 по соплу 5 подаются на турбину 2 для вращения компрессоров 1 и 22. А из камеры 20 по соплам 32 подаются на турбину 17 /см. фиг. 2/. Газы на пути из камеры сгорания до турбин проходят еще и сопла изменяемой геометрии 4 и 30. Сопла изменяемой геометрии расположены в прямоугольных корпусах 26 и 35, что предотвращает утечку газов в атмосферу. Сопла изменяемой геометрии 4 и 30 принимают форму сопл только при движении транспортного средства на передачах выше первой, т. к. эффективность их наличия проявляется только при движении на скоростях выше определенного минимума. Детали, образующие сопла изменяемой геометрии, приводятся от единого рычага и их привод может быть согласован с включением передач в коробке перемены передач транспортного средства. После завершения истечения газов из камер сгорания 7 и 20, в которых давление падает до минимального, открываются впускные клапаны 10. Камеры сгорания продуваются и вышеописанный процесс повторяется. Для получения максимальной скорости движения транспортного средства дроссель-клапан 6 открывается на максимальную величину, т. е. критическое сечение сопла 5 для прохода газов максимально. Газы истекают за максимально короткое время. Изменением критического сечения сопла 5 меняем частоту вращения вала компрессоров, а следовательно, и выходную мощность с двигателя. Но работа, совершаемая газами при истечении газов из камер сгорания, остается постоянной. Меняется лишь частота совершаемая газами работ. Двигатель при этом работает как стехиометрический, т.к. в камеры сгорания подается топливо и воздух в определенной и приблизительно постоянной пропорции. После совершения полезной работы газы из корпусов 28 и 36 /турбин 17 и 2/ попадают в каталитический нейтрализатор 27 газов, где их вредность сокращается до минимума. В область сопел изменяемой геометрии 4 и 30 набегающий /вследствие движения транспортного средства/ воздух подается по диффузорам 33 и воздухозаборникам 11. Следует отметить, что выход из сопла 35 заканчивается направляющей 34 потока газов. Она направляет течение газов на турбину 2. Топливо к блоку 13 формирования топливоподачи поступает от бака 16. Блок 13 представляет собой топливный насос циклического действия. Сопла изменяемой геометрии 4 и 30, расположенные в корпусах 26 и 35, представляют собой прямоугольные пластины 37 и 38, шарнирно связанные друг с другом. При этом пластины 37 образуют переднюю стенку сопла, а пластины 38 расширяющуюся заднюю стенку сопла. Пластины 37 передней частью закреплены за оси вращения 29. Оси 29 имеют тяги 41, шарнирно закрепленные с тягами 42. Положение пластин 37 и 38 меняют через тягу 43, перемещая ее в ту или иную сторону. Задние стенки 38 сопла установлены на салазках 40, которые закреплены за шарнирные опоры 39. Оси 29 вращаются в опорах 44. Компрессоры 1 и 22 циклического действия устроены и работают идентично. Роторы 24 и лопатки 23 расположены внутри корпуса 25. Образующие сопло изменяемой геометрии пластины 37 и 38 во время запуска двигателя и движения транспортного средства на малых скоростях принимают положение, параллельное движению истекающих по соплам 5 и 32 газов. Последнее является особенностью работы двигателя.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием топлива в постоянном объеме камеры сгорания относится к области газотурбостроения и содержит компрессоры циклического действия, 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 камерам сгорания. Выпускной клапан камеры сгорания, приводящей компрессоры турбины, выполнен дроссельным. Выпускные клапаны основных камер сгорания выполнены декомпрессионными. Для повышения эффективного коэффициента полезного действия сгораемого топлива предусматриваются диффузоры и сопла изменяемой геометрии. Изобретение позволяет повысить эффективный КПД. 5 ил.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием топлива в постоянном объеме камеры сгорания, содержащий компрессоры циклического действия, 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 камерам сгорания, отличающийся тем, что выпускной клапан камеры сгорания, приводящей компрессоры турбины, выполнен дроссельным, выпускные клапана основных камер сгораний - декомпрессионными, а для повышения эффективного коэффициента полезного действия сгораемого топлива предусматриваются диффузоры, а также сопла изменяемой геометрии.