ГИДРОДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с гидравлическим приводом выходного вала, и может быть использовано в энергетике для выработки электроэнергии и тепла, а также в транспортном машиностроении.

Известны ДВС с гидравлическим приводом выходного вала, содержащие, по меньшей мере, два или три рабочих цилиндра, частично заполненных жидкостью, систему питания, зажигания и газообмена, в которых гидравлический привод выходного вала выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма или в виде гидротурбины (см., например, патент Великобритании 1380739, МКИ F02В 75/32, 1975 г., патент РФ 2006622, МКИ F02В 71/04,1994 г., патент РФ 2198308, МКИ F02В 71/04, 2001 г.).

Известные ДВС имеют следующие недостатки:

- невысокий КПД (35-68%), обусловленный потерями на преодоление трения, потерями тепла на охлаждения воды и с выхлопными газами;

- высокие затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт;

- органическую экономичность (КПД), обусловленную неполным сгоранием топлива;

- низкий моторесурс.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному решению является двигатель внутреннего сгорания, содержащий не менее трех рабочих цилиндров, заполненных жидкостью, нижняя часть которых сообщена с гидравлическим приводом выходного вала в виде гидротурбины и маховиком, где каждый цилиндр снабжен компрессионной камерой и соединен двумя различными магистралями - энергообразующей и сливной - с пополнительной емкостью, размещенной после гидротурбины; компрессионные камеры в нижней части соединены с рабочими цилиндрами по типу сообщающихся сосудов и с пополнительной емкостью через магистраль сжатия, в которой смонтирован гидронасос на выходном валу гидротурбины и установлен насос со стартером, а в верхней части компрессионные камеры дополнительно соединены с рабочими цилиндрами, патрубками подачи горючей смеси, причем система питания с нагнетателем воздуха - вентилятором присоединена к верхней части компрессионных камер; рабочие цилиндры и компрессионные камеры теплоизолированы изнутри и оборудованы поплавками с теплоизолированной поверхностью, установленными на штоках с зазорами (RU 2198308 C1, F02B 71/04, 2003.02.10).

Недостатком известного решения являются невысокий КПД (59-68%), обусловленный потерями тепла с выхлопными газами и недостаточно эффективной теплоизоляцией стенок цилиндров.

Задачей настоящего изобретения является повышение КПД гидродвигателя внутреннего сгорания.

Технический результат достигается за счет снижения тепловых потерь при работе гидродвигателя внутреннего сгорания.

Поставленная задача решается тем, что в гидродвигателе внутреннего сгорания, снабженном системой подачи и забора жидкости, содержащем теплоизолированные рабочие цилиндры, заполненные жидкостью, нижние части которых соединены энергообразующей магистралью и сообщены с гидравлическим приводом выходного вала и маховиком, а верхние снабжены системой зажигания, выполнена, по крайней мере, одна пара рабочих цилиндров, соединенных между собой энергообразующей магистралью, выполненной в виде системы, состоящей из двух трубопроводов, объединенных посредством гидравлического привода выходного вала, соединенных с преобразователем и снабженных перепускными клапанами, причем один из трубопроводов дополнительно снабжен автоматическими запускными клапанами, каждый рабочий цилиндр выполнен состоящим из двух соосно расположенных на одном основании цилиндров, внутреннего и внешнего, выполненных в верхней части в виде полусфер, с выполнением внутреннего цилиндра меньшей высоты и диаметра, чем внешний, полость, образованная между внутренним и внешним цилиндром, заполнена жидкостью и сообщена с полостью внутреннего цилиндра, внешний цилиндр снабжен дозатором топлива - кислородно-водородной смеси и дозатором кислорода, гидродвигатель снабжен системой охлаждения жидкости.

Отличительными от прототипа признаками являются

- выполнение в гидродвигателе, по крайней мере, одной пары рабочих цилиндров - обеспечивает двухтактный ход работы гидродвигателя;

- соединение рабочих цилиндров энергообразующей магистралью, выполненной в виде системы, состоящей из двух трубопроводов, объединенных посредством гидравлического привода выходного вала, соединенных с преобразователем и снабженных перепускными клапанами, причем один из трубопроводов дополнительно снабжен автоматическими запускными клапанами - обеспечивает запуск гидродвигателя и поочередную работу цилиндров с вращением выходного вала в одном направлении;

- выполнение рабочих цилиндров, состоящими из двух соосно расположенных на одном основании цилиндров, внутреннего и внешнего, с теплоизолирующей полостью, образованной между наружной стенкой внутреннего цилиндра и внутренней стенкой наружного цилиндра, заполненной жидкостью и сообщенной с полостью внутреннего цилиндра - обеспечивает улучшение теплоизоляции цилиндров и снижение теплопотерь;

- выполнение внутреннего цилиндра, имеющим меньшую высоту и диаметр, чем внешний, и выполненными в верхней части в виде полусфер - позволяет улучшить изолированность внутренней поверхности внешнего цилиндра и уменьшить потери тепла.

- наличие дозаторов топлива и кислорода на внешнем цилиндре - обеспечивает безопасность применения горючей кислородно-водородной смеси вследствие ее барботажа через слой жидкости;

- наличие системы охлаждения жидкости позволяет исключить выхлоп за счет конденсации остаточных паров.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где

на фиг.1 - схематично представлен общий вид одной пары гидродвигателя внутреннего сгорания;

на фиг.2 - преобразователь роторного типа;

на фиг.3 - схема компоновки гидродвигателя, состоящего из двух пар рабочих цилиндров.

Элементы конструкции двигателя внутреннего сгорания обозначены на фигурах следующими позициями:

1, 2 - рабочие цилиндры;

3 - внутренний цилиндр;

4 - внешний цилиндр;

5 - основание рабочих цилиндров;

6 - теплоизолирующая полость;

7 - дозаторы топлива;

8 - дозаторы кислорода;

9 - системы зажигания;

10 - система равномерного распыления охлажденной жидкости с форсунками;

11 - трубопровод подачи охлажденной жидкости;

12, 13 - клапаны перетока охлажденной жидкости;

14 - теплообменник;

15 - дозатор подачи и удаления жидкости из системы двигателя;

16 - трубопровод подачи холодной жидкости в теплообменник;

17 - трубопровод удаления нагретой жидкости из теплообменника;

18 - система сброса избыточного давления;

19 - выводящий трубопровод;

20 - преобразователь;

21, 22 - энергообразующие магистрали;

23, 24 - автоматические запускные клапаны энергообразующих магистралей;

25, 26, 27, 28 - перепускные клапаны энергообразующих магистралей;

29 - корпус преобразователя;

30 - ротор;

31 - прорези;

32 - подвижные пластины;

33 - впускная полость преобразователя;

34 - выпускная полость преобразователя;

35 - изолированная камера;

36 - общий выходной вал;

37 - направляющий цилиндр;

38 - сцепная муфта;

39 - генератор электроэнергии;

40 - маховик;

41, 42 - трубопроводы подачи и забора жидкости к дозатору от энергообразующих магистралей;

43, 44 - трубопроводы подачи и забора жидкости к теплообменнику от энергообразующих магистралей;

45, 46 - клапаны перетока жидкости;

47 - патрубок подачи воды в гидродвигатель;

48 - патрубок слива воды из гидродвигателя.

Заявленный гидродвигатель внутреннего сгорания состоит из не менее одной пары рабочих цилиндров. В паре рабочих цилиндров каждый из рабочих цилиндров 1, 2, включает внутренний цилиндр 3, изготовленный из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, и внешний цилиндр 4, изготовленный из материала с низким коэффициентом теплопроводности. Внутренний 3 и внешний 4 цилиндры выполнены в верхней части в виде полусфер, имеют общее основание 5. Стенки внутреннего и внешнего цилиндров образуют теплоизолирующую полость 6. Внешний цилиндр 4 в нижней части соединен с дозатором топлива 7 и дозатором кислорода 8. В верхней части каждый рабочий цилиндр снабжен системой зажигания 9, форсунками системы равномерного распыления охлажденной жидкости 10, соединенной трубопроводом подачи охлажденной жидкости 11, снабженным клапанами перетока охлажденной жидкости 12, 13 с теплообменником 14, имеющим трубопроводы подачи холодной жидкости 16 и удаления нагретой жидкости 17. Каждый рабочий цилиндр снабжен системой сброса избыточного давления 18, соединенной с выводящим трубопроводом 19. Полости внутренних цилиндров 3 в каждой паре рабочих цилиндров соединены энергообразующими магистралями 21 и 22, снабженными автоматическими запускными клапанами рабочих цилиндров 23, 24 и перепускными клапанами 25, 26, 27, 28. Энергообразующие магистрали 21 и 22 соединены между собой преобразователем 20. Преобразователь 20 содержит: корпус 29; эксцентрично расположенный в направляющем цилиндре 37 ротор 30 с прорезями 31 и подвижными пластинами 32; впускную полость 33; выпускную полость 34; изолированные камеры 35. На оси ротора 30 преобразователя 20 расположен выходной вал 36, на котором установлен электрогенератор 39 и маховик 40. Пары рабочих цилиндров в гидродвигателе соединены между собой через преобразователь 20 выходным валом 36, части которого соединены друг с другом муфтой 38.

Энергообразующая магистраль 21 соединена с дозатором подачи и удаления жидкости из системы гидродвигателя 15 трубопроводами подачи и забора жидкости 41 и 42 и с теплообменником 14 трубопроводами 43 и 44 через клапаны перетока жидкости 45 и 46. Внешние цилиндры 4, энергообразующие магистрали 21, 22, трубопроводы 41, 42, 43, 44 и преобразователь 20 теплоизолированы снаружи материалом с низким коэффициентом теплопроводности.

Для подачи воды в гидродвигатель и слива воды дозатор подачи и удаления жидкости из системы гидродвигателя 15 соединен с патрубками подачи воды 47 и слива воды 48.

Полости рабочих цилиндров, не заполненные жидкостью на отметке уровня «max», являются камерами сгорания.

Полости, не заполненные жидкостью на отметке уровня «min», рабочих цилиндров являются рабочими камерами (конденсации).

Работа гидродвигателя внутреннего сгорания включает стадии:

- запуск гидродвигателя внутреннего сгорания:

«первый этап»;

«второй этап»,

- двухтактный ход гидродвигателя:

«рабочий ход - конденсация - А»;

«рабочий ход - конденсация - Б».

Запуск гидродвигателя внутреннего сгорания осуществляют в два этапа.

«Первый этап» - рабочие цилиндры гидродвигателя полностью заполняют жидкостью с помощью дозатора подачи и забора жидкости 15, чтобы удалить воздух из системы гидродвигателя, при этом клапаны системы сброса избыточного давления 18 рабочих цилиндров, автоматические запускные клапаны 23, 24, перепускные клапаны 25, 26 энергообразующей магистрали 21 и перепускные клапаны 27, 28 энергообразующей магистрали 22 открыты.

«Второй этап» - в межцилиндровую полость 6, заполненную жидкостью, через дозатор кислорода 8 подают кислород во внутреннюю полость рабочих цилиндров, при этом клапаны системы сброса избыточного давления 18 закрыты. В рабочий цилиндр 1 подают объем кислорода, равный объему камеры сгорания (отметка «max»), а в рабочий цилиндр 2 подается объем кислорода, равный объему камеры конденсации (отметка «min»). Соответствующие объемы жидкости, вытесняемые кислородом из рабочих цилиндров, удаляются из системы двигателя через дозатор подачи и забора жидкости 15. С помощью системы сброса избыточного давления газов 18 удаляют избыточное давление газов, если таковое присутствует, из рабочих цилиндров. В результате этого соблюдается конечное давление, возникающее в рабочих цилиндрах, соответствующее номинальному режиму работы гидродвигателя.

В результате этих действий система гидродвигателя переходит к рабочему циклу.

Рабочий ход гидродвигателя происходит в два такта.

«Рабочий ход - конденсация - А» (фиг.1). В теплоизолирующуюю полость 6 равномерно подается через дозатор топлива 7 кислородо-водородная смесь, которая барботирует через слой жидкости и воспламеняется с помощью системы зажигания 9 и горит, создавая давление в камере сгорания рабочего цилиндра 1. В это время клапан системы сброса избыточного давления 18 рабочего цилиндра 1, перепускные клапаны 26, 27, клапан перетока жидкости 46 и клапан перетока охлажденной жидкости 12 закрыты, а клапан системы сброса избыточного давления 18 рабочего цилиндра 2, автоматические запускные клапаны 23, 24, перепускные клапаны 25, 28, клапан перетока жидкости 45 и клапан перетока охлажденной жидкости 13 открыты. Под давлением жидкость переходит из полости внутреннего цилиндра 3 рабочего цилиндра 1 в полость внутреннего цилиндра 3 рабочего цилиндра 2 через энергообразующие магистрали 21, 22 и преобразователь 20.

Из дозатора дискретной подачи и удаления жидкости 15 по окончании «рабочего хода - конденсация - А» избыток жидкости из энергообразующей магистрали 21 удаляется с помощью соответствующих трубопроводов 41, 42 в количестве, которое образуется при сгорании определенного объема кислорода и водорода, введенного в систему гидродвигателя в качестве горючей смеси.

При прохождении жидкости через впускную полость 33, камеру 35 и выпускную полость 34 преобразователя 20 ее поток давит на располагаемые в прорезях 31 подвижные пластины 32, которые прижимаются к внутренней поверхности камеры 35 и направляющего цилиндра 37. (Прижим пластин 32 к внутренней поверхности камер 35 и направляющего цилиндра 37 преобразователя 20 осуществляется за счет центробежного ускорения, которое возникает на пластинах 32, при движении их вокруг центральной оси вращающегося ротора 30.) Противоположно расположенные пластины 32 имеют две стороны и, выступающие над диаметром ротора 30, разные площади, которые воспринимают с противоположных сторон разные давления, присутствующие во впускной 33 и выпускной 34 полостях преобразователя 20. В результате этих условий происходит движение пластины 32 из зоны высокого давления в зону низкого давления, там где пластина 32 наиболее выступает над диаметром ротора 30 и имеет наибольшую площадь, воспринимающую разные давления с противоположных сторон. Камеры 35, расположенные в верхней и нижней части преобразователя 20, выполняют роль барьера, разделяющего области высокого и низкого давления. Движение пластины 32, расположенной в прорези 31, приводит во вращение ротор 30 и соединенный с ним выходной вал 36, в результате которого жидкость, отдав энергию на пластины 32, корпус 29 и ротор 30, уходит в выпускную полость 34 из камеры 35.

Часть жидкости под давлением попадает по трубопроводам 11 и 43 из энергообразующей магистрали 21 через теплообменник 14 и клапаны 13 и 45 в форсунку рабочего цилиндра 2 системы равномерного распыления охлажденной жидкости 10 и распыляется на протяжении всего рабочего хода в полости внутреннего цилиндра 3 и полости 6 рабочего цилиндра 2. По окончании распыления охлажденной жидкости в камере конденсации рабочего цилиндра 2 в работу вступает система сброса избыточного давления газов 18, которая удаляет избыточное давление газов, если таковое присутствует, из камеры конденсации по сигналу датчика давления и датчика уровня жидкости (не показаны). Когда жидкость заполнит до отметки «max» полость внутреннего цилиндра 3 рабочего цилиндра 2, клапаны сброса избыточного давления 18 каждого рабочего цилиндра, перепускные клапаны 25, 28, клапан перетока охлажденной жидкости 13 и 45 закрывают, а клапаны 12, 26, 27, 46 открывают.

«Рабочий ход - конденсация - Б» - происходит в том же порядке как и «Рабочий ход - конденсация - А», в котором подача топлива и кислорода производится в рабочий цилиндр 2, а конденсация осуществляется в рабочем цилиндре 1. После окончания работы, которую совершила система сброса избыточного давления газов 18 рабочего цилиндра 2, когда топливо начинает подаваться в систему двигателя и уровень жидкости во внутреннем цилиндре достиг отметки «max», через заполненную жидкостью полость 6, образованную внутренним 3 и внешним 4 цилиндрами рабочего цилиндра 2, дозатор дискретной подачи кислорода 8 подает кислород в камеру сгорания малыми порциями, которые необходимы для поддержания начального постоянного объема кислорода, находящегося в камере сгорания и соответствующего определенному условию горения топлива, при котором возможно более полно использовать водород при его сгорании с кислородом. Объем кислорода, который необходимо ввести в систему для поддержания необходимого режима работы двигателя, соответствует его количеству растворенного в определенном объеме жидкости, удаляемого дозатором подачи и удаления жидкости из системы двигателя за один «рабочий ход - конденсация А».

По завершении такта «рабочий ход - конденсация - Б» вновь начинается такт «рабочий ход - конденсация А» и т.д., в которых клапан сброса избыточного давления 18 рабочих цилиндров закрыт. Клапан 18 служит для поддержания постоянного объема и давления кислорода в камере сгорания, которое соответствует номинальному режиму гидродвигателя.

Подача и удаление кислорода из камер сгорания с помощью дозаторов и систем сброса лишнего давления газов осуществляется по заданному алгоритму, находящемуся в зависимости от номинального режима работы гидродвигателя.

Работой клапанов и других рабочих органов управляет автоматизированная система по заданному алгоритму.

Использование заявленного гидродвигателя внутреннего сгорания позволит:

- повысить КПД до 80-85% за счет: более полного использования остаточного давления сгораемых газов, которое воздействует на пластины преобразователя (10%); использования пониженного давления (ниже атмосферного), образующегося в результате конденсации остаточных паров и охлаждения газов, образованных при сгорании топлива (5%); применения теплоизолирующей полости, заполненной жидкостью и сферической формы в верхней части внутреннего и внешнего цилиндров, которая уменьшает площадь рабочего цилиндра, на которую воздействуют раскаленные газы, образованные в результате сгорания топлива (2%); более полного использования сгорания водорода, содержащегося в топливе, при его сгорании в камере сгорания, где постоянно присутствует один из компонентов реакции, который смещает константу равновесия реакции горения - смеси водорода и кислорода вправо 2Н₂+O₂<=>2Н₂О;

- безопасно использовать совместную подачу кислорода и водорода в камеру сгорания;

- использовать теплоту, удаленную из системы гидродвигателя с помощью теплообменника для отопления, что приводит к более рациональному использованию тепла, образованного при сгорании топлива в камере сгорания гидродвигателя;

- снизить материалоемкость изготовления гидродвигателя;

- повысить экологичность гидродвигателя за счет применения в качестве горючей смеси кислорода и водорода;

- сохранение кислорода окружающей среды.

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к гидродвигателям внутреннего сгорания, и предназначено для использования в энергетике и транспортном машиностроении. Гидродвигатель содержит не менее одной пары рабочих цилиндров, объединенных энергообразующей магистралью, выполненной из двух трубопроводов, объединенных посредством гидравлического привода выходного вала, соединенных с преобразователем, снабжен дозаторами подачи топлива - кислородно-водородной смеси и кислорода. Изобретение обеспечивает повышение КПД гидродвигателя внутреннего сгорания. 3 ил.

Гидродвигатель внутреннего сгорания, снабженный системой подачи и забора жидкости, содержащий теплоизолированные рабочие цилиндры, заполненные жидкостью, нижние части которых соединены энергообразующей магистралью и сообщены с гидравлическим приводом выходного вала и маховиком, а верхние снабжены системой зажигания, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, одну пару рабочих цилиндров, соединенных между собой энергообразующей магистралью, выполненной в виде системы, состоящей из двух трубопроводов, объединенных посредством гидравлического привода выходного вала, соединенных с преобразователем и снабженных перепускными клапанами, причем один из трубопроводов дополнительно снабжен автоматическими запускными клапанами, каждый рабочий цилиндр выполнен состоящим из двух соосно расположенных на одном основании цилиндров, внутреннего и внешнего, выполненными в верхней части в виде полусфер и выполнением внутреннего цилиндра меньшей высоты и диаметра, чем внешний, полость, образованная между внутренним и внешним цилиндром, заполнена жидкостью и сообщена с полостью внутреннего цилиндра, внешний цилиндр снабжен дозатором топлива - кислородно-водородной смеси, и дозатором кислорода, гидродвигатель снабжен системой охлаждения жидкости.