ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ПОДГОТОВКИ ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ Российский патент 2003 года по МПК F02G3/00 F01C1/08 F23D11/10 

Изобретение относится к устройствам, преобразующим химическую энергию топлива в механическую энергию, и может быть использовано в качестве источника механической энергии в различных отраслях хозяйственной деятельности человека, в том числе на транспорте, в частности на автомобильном транспорте.

Известен двигатель внутреннего сгорания [1], содержащий камеру сгорания с устройствами подготовки топливной смеси и поджига, подключенный к выхлопному патрубку (соплу) камеры сгорания силовой узел, выполненный в форме цилиндра с размещенными в нем рабочими колесами, на ободах которых закреплены лопатки. Двигатель имеет также компрессор для подачи сжатого воздуха в камеру сгорания и насос горючего.

Особенностью этого двигателя является то, что рабочие колеса в нем установлены с зазорами относительно внутренних поверхностей цилиндра. Крутящий момент на колесе создается скоростным напором струи, истекающей из выхлопного патрубка (сопла) камеры сгорания.

К недостаткам этого устройства следует отнести невозможность получения больших крутящих моментов в широком диапазоне регулирования расходов топлива и оборотов рабочего колеса, нижний коэффициент полезного действия (КПД) при небольших оборотах рабочего колеса, затрудняющие использование такого двигателя в наземных видах транспорта.

Известен также двигатель [2], содержащий газогенератор с устройствами подготовки топливной смеси и поджига, силовой узел и насосы для подачи компонентов в камеру сгорания. Силовой узел выполнен в виде цилиндра с окнами газообмена в его боковой стороне. У этого двигателя, как и у предыдущего, рабочее колесо установлено в цилиндре с зазорами. Крутящий момент на нем создается скоростным напором струи, истекающей из выпускного окна.

У этого двигателя также невозможно получить высокий КПД, а также большой крутящий момент при небольших оборотах, что затрудняет его использование в наземных видах транспорта.

Техническим результатом является получение большого крутящего момента в широком диапазоне изменения оборотов рабочих колес, снижение абсолютного значения оборотов, расширение диапазона регулирования мощности при высоком КПД, улучшение эксплуатационных характеристик.

Это достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем камеру сгорания с устройствами подготовки топливной смеси и поджига, подключенный к ней силовой узел с рабочими колесами, компрессор для подачи сжатого воздуха в камеру сгорания и насос горючего, силовой узел выполнен с внутренней полостью в форме прямой призмы, две противоположные боковые стороны которой имеют форму полуцилиндров с плотно установленными в них с возможностью вращения рабочими колесами, имеющими форму находящихся в зацеплении двух цилиндрических шестерен. В торцах каждого колеса (шестерни) выполнены полости, соединенные между собой каналами. Эти полости примыкают к коллекторам подачи охлаждающей жидкости в торцах внутренней полости. На концах зубьев шестерен в осевом направлении выполнены Т-образные в поперечном сечении пазы, в которых установлены с возможностью перемещения в радиальном направлении подпружиненные Т-образные пластины. Шестерни и один из торцов внутренней полости установлены с возможностью перемещения в осевом направлении и этот торец оборудован уплотнениями на боковых поверхностях. Подвижный торец прижат к торцам шестерен, а те в свою очередь к неподвижному торцу внутренней полости с помощью пружин, закрепленных на крышке внутренней полости. Полость между крышкой внутренней полости и подвижным торцом соединена трубопроводом с камерой сгорания. Выхлопное окно внутренней полости в окружном направлении выполнено зубчатым. На выходе из компрессора установлен теплообменник, соединенный трубопроводом с выхлопным окном внутренней полости силового узла.

На фиг. 1 схематично изображен общий вид двигателя. На фиг.2 схематично изображено поперечное сечение камеры сгорания и силового узла (сечение А-А фиг. 1). На фиг. 3 показан вид на кромку выхлопного окна по стрелке В (см. фиг.2). На фиг.4 схематично изображено продольное сечение внутренней полости силового узла (сечение С-С фиг.2). На фиг.5 изображено поперечное сечение зуба колеса. На фиг.6 схематично изображено устройство подготовки топливной смеси.

Двигатель состоит из камеры сгорания 1, подключенного к ней силового узла 2, компрессора 3 для подачи сжатого воздуха в камеру сгорания 1, насоса горючего 4 и выходного вала 5. Камера сгорания укомплектована устройством подготовки топливной смеси 6 и поджигающим устройством 7. Силовой узел 2 состоит из корпуса с внутренней полостью 8, в которой плотно установлены с возможностью вращения имеющие форму шестерен два цилиндрических зубчатых колеса 9, которые находятся в зацеплении друг с другом. В торцах зубчатых колес выполнены полости 10, соединенные между собой каналами 11. Полости 10 примыкают к выполненным в торцах внутренней полости коллекторам 12. С помощью коллекторов 12 осуществляется прокачка охлаждающей жидкости через каналы 11 зубчатых колес 9. Для обеспечения плотного примыкания зубьев 13 к боковой поверхности внутренней полости на концах этих зубьев в продольном направлении выполнены Т-образного сечения пазы 14, в которые плотно вставлены с возможностью смещения в радиальном направлении Т-образные пластины 15. Длина этих пластин равна высоте колес 9. Пластины 15 прижимаются к боковым поверхностям внутренней полости с помощью пружины 16. Для обеспечения плотного примыкания торцов колес 9 к торцам внутренней полости и тем самым герметичности отделения камеры сгорания 1 от выхлопного патрубка, колеса 9 установлены с возможностью перемещения в осевом направлении. Этой же цели служит выполнение одного из торцов 17 внутренней полости подвижным в осевом направлении. На боковой поверхности торца 17 выполнена проточка 18, через которую и отверстия 19 подается охлаждающая жидкость в коллекторы 12. По обеим сторонам проточки 18 установлены уплотнения 20, которые одновременно герметизируют внутреннюю полость силового узла и проточку 18. Подвижный торец 17 прижимается к торцам колес 9 пружинами 21. Со стороны подвижного торца 17 внутренняя полость герметично закрыта крышкой 22. Для обеспечения близкого к постоянной силе давления подвижного торца на колеса 9, в полость 23 между подвижными торцом 17 и крышкой 22 через трубопровод 24 подается давление из камеры сгорания 1. Чтобы более полно использовать энергию топлива, в двигателе, на выходе из компрессора, установлен теплообменник 25, который использует тепло выхлопных газов, истекающих из выхлопного окна. При работе двигателя в полостях между зубьями колес, подходящих к выхлопному окну 26, находятся под высоким давлением продукты сгорания. Чтобы уменьшить силу звука, создаваемого выходящими через выхлопное окно 26 газами, кромки окон в окружном направлении выполняются зубчатыми (см. фиг.3). Для обеспечения длительной непрерывной работы двигателя камера сгорания и цилиндры выполняются с возможностью их наружного (регенеративного) охлаждения подобно тому, как это делается в поршневых двигателях внутреннего сгорания (на чертежах система охлаждения камеры сгорания и цилиндров не показана).

Для обеспечения плотного прижатия зубьев колес (шестерен) друг к другу в зоне сопряжения к выходному валу двигателя подключено только одно из колес. Камера сгорания сообщается с внутренней полостью силового узла через впускное окно 27.

Работает двигатель следующим образом. С помощью стартера запускаются компрессор 3 и насос горючего 4. После поступления в камеру сгорания 1 через устройство подготовки топливной смеси 6 воздуха включается поджигающее устройство 7 и подается горючее в камеру сгорания. После воспламенения горючего в камере сгорания 1 повышается давление, которое через впускное окно 27 передается на зубчатые колеса 9. Поскольку в зоне сопряжения зубья шестерен перекрывают друг друга, суммарная площадь двух зубьев, находящихся в зацеплении, получается меньше, чем суммарная площадь двух первых зубьев шестерен, примыкающих к впускному окну 27, на которые только с одной стороны воздействует давление, равное давлению в камере сгорания. Вследствие этой разницы площадей каждое из колес поворачивается в направлении от оси камеры сгорания.

Благодаря плотному примыканию пластин 15 к боковой поверхности внутренней полости силового узла, а также торцов внутренней полости к торцам зубчатых колес 9, что обеспечивается подвижностью колес 9 и торца 17 в осевом направлении, а также давлением пружины на подвижный торец 17, камера сгорания 1 герметично отделяется от выхлопного сопла 26. Это позволяет выполнять двигателем работу с высоким КПД при, практически, любом числе оборотов, что упрощает конструкцию двигателя и требования к ней, позволяет работать двигателю в широком диапазоне чисел оборотов, что имеет большое значение для наземных видов транспорта, где может найти применение рассматриваемый двигатель.

Следует отметить, что рассматриваемый двигатель может использовать любое жидкое или газообразное горючее, продукты сгорания которого не образуют твердых покрытий на рабочих поверхностях зубчатых колес 9 или внутренней полости силового узла.

Известно устройство подготовки топливной смеси /3/, содержащее корпус, внутри которого по оси закреплен узел подачи газа, в центральном канале которого в свою очередь закреплен посредством центрирующих пилонов стержень с диском на конце, который образует с торцом узла кольцевую щель. Между корпусом устройства и узлом подачи газа выполнена цилиндрическая щель, через которую в зону смешения подается, образованная с помощью тангенциальных отверстий пелена жидкого компонента.

К недостаткам этого устройства следует отнести низкое качество перемешивания и распыления компонентов на малых расходах при большом диапазоне регулирования и большом давлении в камере сгорания, что связано с падением скоростного напора газа.

Известно также устройство /4/, содержащее корпус, внутри которого закреплен узел подачи одного из компонентов с центральным каналом, в котором в свою очередь размещен стержень с закрепленным на его выходном конце диском, имеющим коническую поверхность со стороны канала и прижатым с помощью пружины к выполненной в форме внутреннего корпуса поверхности торца узла. Между корпусом устройства и узлом выполнена кольцевая щель, через которую в зону смешения подается один из компонентов.

К недостаткам этого устройства следует отнести низкое качество распыления жидкого компонента, истекающего через кольцевую щель, при значительном уменьшении расхода этого компонента, что связано с квадратичной зависимостью перепада давления от расхода.

Техническим результатом является получение высокого качества распыления при многократном изменении расхода компонентов и любом давлении в камере сгорания.

Это достигается тем, что в устройстве подготовки топливной смеси, содержащем корпус, внутри которого по оси закреплен узел подачи газа, с центральным каналом, в котором установлен стержень с закрепленным на его выходном конце диском с конической поверхностью со стороны канала, диск прижат с помощью пружины к выполненной в форме внутреннего конуса поверхности торца узла, а на выходном торце узла выполнена сопряженная с внутренней конической поверхностью наружная коническая поверхность, на которой выполнена кольцевая проточка, соединенная отверстиями с центральным каналом и вдоль образующих этой конической поверхности по всей их длине выполнены риски-каналы, сообщающиеся с выполненным в корпусе коллектором. Наружная коническая поверхность торца узла по всей площади плотно прижата к конической поверхности, выполненной в корпусе устройства, которая в свою очередь сопряжена с внутренней конической поверхностью на торце корпуса устройства со стороны оси, а линия их сопряжения состыкована с линией сопряжения конических поверхностей торца узла.

На фиг. 6 показано продольное сечение предлагаемого устройства. Устройство состоит из корпуса 28 с коллектором 29, в котором закреплен узел 30 для подачи газа с центральным каналом 31. В этом канале посредством центрирующих пилонов 32 установлен стержень 33 с диском 34. Диск 34 прижимается к торцу узла с помощь пружины 35. Натяжение пружины регулируется с помощью гайки 36. На торце узла выполнена еще одна коническая поверхность 37, плотно прижатая к конической поверхности 38 в корпусе. На конической поверхности 37 выполнена кольцевая проточка 39, сообщаемая с каналом 31 посредством отверстий 40. Вдоль поверхности 37 (по образующим корпуса) поперек кольцевой проточки 39 выполнены риски-каналы 41, сообщающиеся с коллектором 29. Герметичность соединения корпуса 28 и узла 30 обеспечивается уплотнением 42.

Работает устройство следующим образом. При запуске двигателя в канал 31 поступает от компрессора 3 воздух. С повышением давления диск отходит от конической поверхности торца, образуя коническую щель, через которую с достаточно высокой для качественного распыления скоростью поступает воздух, который движется вдоль конической поверхности, образованной торцами узла 30 и корпуса 28. Требуемая скорость истечения воздуха из конической щели подбирается натяжением с помощью гайки 36 пружины 35.

Небольшая часть воздуха из канала 31 через отверстия 40 поступает в кольцевую проточку 39, откуда через риски-каналы 41 - в камеру сгорания. Риски-каналы 41 могут быть выполнены, практически, с любым достаточно малым поперечным сечением, что как известно способствует повышению качества распыления. Выполнение рисок-каналов с малым проходным сечением позволяет выполнить их в количестве, необходимом и достаточном для качественного перемешивания жидкого горючего с воздухом.

Поступающее из коллектора 42 в риски-каналы 41 жидкое горючее смешивается там с воздухом и в виде двухфазной смеси поступает в камеру сгорания. Подмешивание воздуха (газа) в каналы подачи жидкого компонента позволяет поддерживать на этих каналах высокий перепад давления даже при очень небольших расходах жидкого компонента, что обеспечивает его качественное распыление. Горючее, смешиваясь на выходе из рисок-каналов 41 с пеленой воздуха, истекающего из щели между диском 34 и торцом корпуса, поджигается и горит благодаря высокому качеству распыления с высокой полнотой сгорания. С увеличением расходов компонентов увеличивается перепад давления на рисках-каналах 41 и качественное распыление жидкого компонента может быть получено и без поступления в риски-каналы воздуха из канала 31.

Предложенная конструкция устройства подготовки топливной смеси обеспечивает не только качественное распыление жидкого горючего и его смешение с воздухом, но и позволяет, кроме этого, производить периодическую чистку каналов подачи горючего и тем самым поддерживать всегда и в течение длительного времени его работоспособность.

В заключение следует отметить, что вышерассмотренная конструкция двигателя и устройства подготовки топливной смеси позволяет использовать любое жидкое горючее, не содержащее твердых включений с поперечным сечением, большим поперечных сечений рисок-каналов 41, и не образующее при горении твердых или смолистых отложений. Эта же конструкция не исключает также возможности использования газообразных горючих.

ЛИТЕРАТУРА
1. Шляхтенко С.М. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. -М.: Машиностроение, 1987.

2. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. -М.: Машиностроение, 1968, c. 288, рис.7-27"в".

3. А.с. СССР 179410, кл. В 05 В 7/10, 1966.

4. Стечкин Б.С. Теория реактивных двигателей, М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1958, с. 458.

5. Бородин В.А. и др. Распыливание жидкостей, Машиностроение, 1967.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям со сгоранием топлива в установке и устройствам подготовки топлива. Техническим результатом являются повышение эффективности работы силовой установки. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит компрессор, устройство подготовки топливной смеси и камеру сгорания с подключенным к ней силовым узлом с рабочими колесами. Согласно изобретению силовой узел снабжен рабочими колесами в форме находящихся в зацеплении двух цилиндрических шестерен. В торцах каждой из них выполнены полости, соединенные между собой каналами и примыкающие к коллекторам подачи охлаждающей жидкости в торцах внутренней полости. На концах зубьев шестерен выполнены Т-образные в поперечном сечении пазы, в которых установлены подпружиненные Т-образные пластины. Причем шестерни и один из торцов внутренней полости установлены с возможностью перемещения в осевом направлении, и этот торец оборудован уплотнениями на боковой поверхности и прижат к торцам шестерен пружинами, закрепленными на крышке внутренней полости. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания с устройствами подготовки топливной смеси и поджига и подключенным к ней силовым узлом с рабочими колесами, компрессор для подачи сжатого воздуха в камеру сгорания и насос горючего, отличающийся тем, что силовой узел выполнен с внутренней полостью в форме прямой призмы, две противоположные боковые стороны которой имеют форму полуцилиндров, с плотно установленными в них с возможностью вращения рабочими колесами, имеющими форму находящихся в зацеплении двух цилиндрических шестерен с выполненными в торцах каждой из них полостями, соединенными между собой каналами и примыкающими к коллекторам подачи охлаждающей жидкости в торцах внутренней полости, а на концах зубьев шестерен в осевом направлении выполнены Т-образные в поперечном сечении пазы, в которых установлены с возможностью перемещения в радиальном направлении подпружиненные Т-образные пластины, и, кроме этого, шестерни и один из торцов внутренней полости установлены с возможностью перемещения в осевом направлении, и этот торец оборудован уплотнениями на боковой поверхности и прижат к торцам шестерен пружинами, закрепленными на крышке внутренней полости. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что полость между крышкой внутренней полости и подвижным торцом соединена трубопроводом с камерой сгорания. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на выходе из компрессора установлен теплообменник, соединенный трубопроводом с выхлопным окном силового узла. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что кромки выхлопного окна внутренней полости в окружном направлении выполнены зубчатыми. 5. Устройство подготовки топливной смеси двигателя по п. 1, содержащее корпус, внутри которого по оси закреплен узел подачи воздуха с центральным каналом, в котором посредством центрирующих пилонов установлен стержень с закрепленным на его выходном конце диском с конической поверхностью со стороны канала, прижатым с помощью пружины к выполненному в форме внутренней конической поверхности торцу узла, отличающееся тем, что на выходном торце узла выполнена сопряженная с внутренней конической поверхностью наружная коническая поверхность, на которой выполнены кольцевая проточка, соединенная отверстиями с центральным каналом и вдоль образующих по всей их длине риски-каналы, сообщающиеся с выполненным в корпусе устройства коллектором, причем наружная коническая поверхность торца узла по всей площади плотно прижата к конической поверхности, выполненной в корпусе устройства, которая, в свою очередь, сопряжена с внутренней конической поверхностью на торце корпуса со стороны оси, а линия их сопряжения состыкована с линией сопряжения конических поверхностей торца узла.