СПОСОБ СОЗДАНИЯ МНОГОЦИЛИНДРОВОГО ЖИДКОСТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F02B75/00 F01B11/08 F02B71/04 

Изобретение относится к двигателям, использующим жидкость и турбину вместо кривошипно-шатунного механизма превращения давления газов сгорающей смеси во вращательное движение вала двигателя.

Известен ряд технических решений, например по патенту США №3.202.108 или патент DE №2720171 и др., но они непригодны для создания многоцилиндрового агрегата по причине излишней громоздкости и большого расхода горючего.

Вполне подходит для этого только способ по патенту Р.Ф. №2364735, заключающийся в использовании спаренных, взаимно подменяющих друг друга трубных цилиндров, жидкость из которых поочередно подвергается давлению газов из камер сгорания и извергается на турбину. Здесь камеры сгорания расположены вне трубных цилиндров и соединены с ними патрубками, что позволило выполнить цилиндры проточными, не прерывающими поток жидкости в ее кругообороте в гидросистеме двигателя. Внешнее расположение камер сгорания позволило отсекать часть потока в одном из трубных цилиндров и подвергать ее давлению газов из камеры сгорания для этого трубного цилиндра, извергая из него на турбину, тогда как остальной поток жидкости безостановочно движется, заполняя параллельный трубный цилиндр, вытесняя из него газы прошедшего процесса, пока наступит его очередь быть отсеченным и извергать из него жидкость на ту же турбину под давлением газов из его камеры внешнего сгорания. Потоки из цилиндров разделены клапаном.

Жидкостный двигатель по такому способу вполне пригоден для создания мощных силовых стационарных установок, например для ТЭЦ, где вес и габариты не имеют решающего значения. Но для любых транспортных средств такой элементарный двигатель непригоден. Чтобы создать мощный и сравнительно легкий жидкостный двигатель без большого маховика, можно скомплектовать его из нескольких элементарных единиц (блоков), согласованно воздействующих на единый вал двигателя. Однако даже расположение нагнетателей воздуха сбоку от цилиндра не позволяет создать компактный многоцилиндровый двигатель. Отсутствие механической связи работы цилиндра с валом двигателя исключает возможность связать работу цилиндров отдельных элементарных двигателей (блоков) между собой. Нет определителей давления в цилиндрах для согласования их работы, недостаточен способ изменения скорости и ее регулирования, наконец, агрегат из таких отдельных турбин на общем валу будет громоздкий, тяжелый, неэффективный из-за потерь энергии на завихрения жидкости на лопатках входного сопла. Необходим воздушный конденсатор жидкости на выхлопных газов. Все недостатки решены этим способом. В таком двигателе используются не цилиндры, как конструктивное понятие, а трубы, изогнутые по форме, обеспечивающей наилучшее протекание жидкости, наименование их цилиндрами используется по аналогии с цилиндрами ДВС. Элементарный жидкостной двигатель по рабочему циклу является двухтактным: рабочий ход и выхлоп с заполнением.

Конструкция многоцилиндрового жидкостного двигателя создается из нескольких блоков элементарных двигателей, содержащих турбину 1 и спаренные цилиндры 2, поочередно пропускающие поток жидкости то через один, то через другой из них, вытесняя находящиеся там отработавшие газы. Жидкость заполняет объем цилиндра 2 и сразу же вытесняется новой порцией газа на турбину 1. Автоматическое управление работой двигателя осуществляется сжатым воздухом, который обеспечивается нагнетателем, состоящим из пневмоцилиндра 3 и гидропривода 4, связанного с цилиндром 2 двумя каналами, один из которых 5 постоянно открыт в цилиндр 2, а другой откроется только после сжатия воздуха пневмоцилиндром 3 и смещения золотникового поршенька гидропривода 4. Обратный ход обоих поршней нагнетателя обеспечивается за счет штока 6 с надетой на него пружиной (на чертеже не показано). Шток 6 содержит на конце пружинящую (при рабочем ходе нагнетателя) защелку, включающую пневмоклапаны 7, 8 управления двигателем при обратном ходе штока 6. В верхней части цилиндра 2 размещен выхлопной клапан 9, связанный с работой внешней камеры сгорания 10, которая питается горючей смесью от плунжера 11. Камера сгорания 10, при вспышке смеси в ней, выталкивает пробочный поршенек 12, упирающийся подвижно своим донышком в коромысловый рычаг 13, который одним концом (с роликом) захлопывает отсечной клапан 14, а другим - выхлопной клапан 9, отсекая вошедшую в него жидкость от потока, перенаправленного в другой, параллельный цилиндр 2. Плунжер 11 управляется пневмоклапанами 7 и 8 расположенными на другом, параллельном цилиндре 2 и сработает для питания горючим камеры 10, когла в параллельном цилиндре 2 заканчивается процесс вытеснения жидкости на турбину 1. Клапан 7 связан с плунжером 11 последующего блока двигателя, а клапан 8 - с плунжером 11 параллельного цилиндра 2 этого блока. Пневмоцилиндр 3 нагнетателя воздуха должен, воспользовавшись ресрвером 15, обеспечить сжатым воздухом одну камеру сгорания 10, два клапана 7 и 8 с их линиями питания и один плунжер 11 за каждый такт пневмоцилиндра 3. Пневматические клапаны 7 и 8 управляют подготовкой и подачей смеси в камеры 10. Таких клапанов по два на каждом цилиндре 2, причем ближний к штоку 6 управляет подачей смеси в последующий блок двигателя, дальний от штока 6 - в спаренный цилиндр этого же блока. Их место установки определяет момент их срабатывания, так как пружина на штоке 6 при уменьшении давления газов в трубном цилиндре 2 (в связи с расходом жидкости) начнет оттягивать гидроцилиндрик 4 в сторону этих пневмоклапанов 7 и 8 и защелкой на штоке 6 и включит их в работу.

Фактически гидропривод 4 контролирует давление в цилиндре 2 с погрешностью на трение его поршней. Как раз основным решением данного изобретения и является согласование взаимодействий двух, трех и более блоков элементарных жидкостных двигателей, так как здесь нет механической связи между работой цилиндров 2 и валом турбины. Решений найдено путем учета спадания давления в цилиндрах 2 И эта функция возложена на шток 6 гидропривода 4. Он включает в работу последующие блоки при снижении давления в предыдущем блоке вдвое при 2-х блоках, и втрое при трех блоках, т.е. на каждую долю от числа элементарных составляющих, объединенных в один агрегат. Последующие блоки подхватывают нагрузку на валу турбины, компенсировав недостаток давления газов по ходу такта одиночного блока двигателя. Стало возможным создавать многоцилиндровые двигатели любой мощности. Турбины 1 могут быть раздельные на общем валу, но можно применить турбину со сборным ротором, на котором раздельно расположены венцы лопаток каждого блока, разделенные между собой диском, но в общем кожухе со своими соплами. Лопатки следует несколько согнуть по ходу вращения, а концы их напротив; это способствует восприятию динамического напора струи и облегчает отделение жидкости на выходе при поддуве воздухом для ликвидации вакуума.

Входная часть цилиндра 2 содержит наголовник, к которому снаружи крепится своим патрубком камера сгорания 10, а изнутри пробочный поршенек 12 в том же патрубке и связанный с ним коромысловый рычаг 13, воздействующий на отсечной клапан 14 и газовыхлопной 9. Все нагнетатели 3 связаны с ресивером 15, а выхлопные клапаны 9 связаны с конденсатором 16 паров жидкости, возвращаемой обратно в цилиндр 2 из сборника жидкости силой пневмореле, по уровню. Предлагаемый жидкостный двигатель намного экономичнее поршневых двигателей, так как его проточные цилиндры 2 не задерживают поток жидкости и потому нет потерь на последующий разгон ее, а присутствует только дополнительный разгон в цилиндрах за счет энергии горючей смеси, который расходуется на полезное усилие на валу турбины 1. Расход энергии на работу отсечного клапана 14 не превышает затрат ее на распределительную систему поршневых двигателей. Расход энергии на работу нагнетателя воздуха неизбежен как и у всех ДВС, да кроме того производится попутно без торможения жидкости и без снижения ее воздействия на турбину 1. Однако главное преимущество жидкостных двигателей - в уменьшении ядовитых выбросов в атмосферу как из-за уменьшения расхода горючего, так и вследствие исключения в нем ядовитых присадок: жидкость на пробочном поршеньке 12 исключает детонацию. Потому и возможен дизельный цикл на любом горючем, при увлажнении пробочного поршенька 12 брызгами входящего потока, в первый момент заполнения жидкостью цилиндра 2.

Согласно патенту RU 2364735 пневматические элементы, управляющие подготовкой и подачей горючей смеси, работают не от штока 6 "своего" нагнетателя воздуха 3, а от штока оказалось возможным установить пневмоэлемент 7, питающий третий цилиндр на корпусе первого, на половине возвратного хода штока 6, тогда как в конце хода этого штока находится пневмоэлемент 8, питающий второй цилиндр этого же силового блока также как и пневмоэлемент в конце хода третьего нагнетателя воздуха 3 управляет подачей горючей смеси в четвертый цилиндр 2 на четвертом цилиндре, на середине хода штока 6 его нагнетателя воздуха 3, находится пневмоэлемент, питающий плунжер первого цилиндра, обеспечивая замкнутый цикл.

У шестицилиндрового двигателя пневмоэлемент 8 питания третьего цилиндра расположен на корпусе первого, а питающий пятый цилиндр 2- на корпусе третьего. И также пневмоэлемент с шестого цилиндра управляет работой плунжера первого. Каждый пневмоэлемент состоит из клапана, пропускающего воздух в камеры сгорания и одновременно в силовой цилиндр плунжера с горючим. Этот плунжер в конце своего движения обеспечивает зажигание (если не предусмотрено самовоспламенение). Пусковые клапаны-кнопки сразу же блокируются после запуска.

Перед началом работы необходимо заполнить ресивер 15 воздухом под давлением выше рабочего в камерах сгорания. Трубная гидросистема должна быть заполнена водой (или другой негорючей, невспенивающейся, а для холодной погоды и незамерзающей жидкостью) в объеме на один цилиндр и треть турбины меньше полного объема каждого блока двигателя. Трубопроводы горючего должны быть заполнены им. Запуск производится пусковой пневмокнопкой к плунжеру первого цилиндра 2. Турбина 1 состоит их половин корпуса 17 со своими соплами и разделительным диском 18 между лопатками 19 блоков. Лопатки 19 наклонно расположены на роторе 20, чтобы быть перпендикулярно выходному потоку. С истечением жидкости из цилиндра 2 падает давление в нем и пружина нагнеетателя воздуха нагнетателя воздуха вытягивает шток 6 и поршень нагнетателя. Как только шток достигнет пневмоэлемента третьего цилиндра (расположенного на первом цилиндре), то начнет работать и третий цилиндр двигателя. При дальнейшем снижении давления в первом цилиндре его шток включит питание второго, а вскоре шток третьего нагнетателя включит питание четвертого, который, при снижении его давления, наполовину включит питание первого трубоцилиндра. Круг замкнулся.

Скорость вращения турбины зависит от давления, определяемого типом и количеством горючего. Снижение скорости возможно и за счет замедления темпа нагнетателей воздуха путем торможения возврата пневмоцилиндра нагнетателя воздуха путем торможения возврата пневмопоршня нагнетателя воздуха 3, дросселируя выход воздуха из задней камеры.

Охлаждение жидкости в двигателе обеспечивается разветвленной поверхностью трубной системы и дополнительно ребрами на возвратных трубах, хотя не исключена вентиляция в кожухе. Нагнетатели воздуха для создания горючей смеси расположены сверху на цилиндрах и соединены с ними каналами 5 в корпусе гидропривода 4. Отсечные клапаны могут ходить горизонтально при расположении камер за цилиндрами, но это менее эффективно, чем описанный вариант.

Перечень элементов двигателя на чертеже

На фигуре 1 изображен общий вид на 4-х цилиндрового двигателя.

На фиг.2 - схематический разрез одного блока без второго цилиндра.

На фиг.3 - схематический разрез турбины.

На фиг.4 - наголовник цилиндра с камерой сгорания.

Оцифрованные элементы:

1. Ротор комплексной турбины с лопатками.

2. Цилиндр двигателя.

3. Пневматический цилиднр нагнетателя воздуха (компрессор).

4. Гидравлический цилиндр привода нагнетателя воздуха с золотниковым поршеньком.

5. Канал входа жидкости в привод нагнетателя.

6. Шток нагнетателя воздуха с пружиной на нем (не показана).

7. Пневмоклапан для подачи смеси в последующий цилиндр/во второй блок/.

8. Пневмоклапан для подачи горючей смеси в спаренный цилиндр этого блока.

9. Выхлопной клапан цилиндра, соединенный с конденсацией.

10. Внешняя камера внутреннего сгорания смеси.

11. Пневматический плунжер подачи горючего в камеру.

12. Пробочный поршень камеры сгорания.

13. Коромысловый рычаге перекидным устройством, управляющий клапанами.

14. Отсечной клапан жидкости цилиндра.

15. Ресивер сжатого воздуха.

16. Конденсатор паров жидкости из выхлопных газов.

17. Сдвоенный корпус комплексной турбины.

18. Разделительный диск между полостями турбины.

19. Лопатки турбины, наклонные и с загнутыми концами.

20. Диск ротора комплексной турбины с лопатками от двух блоков.

Изобретение относится к двигателям, использующим жидкость. Способ создания многоцилиндрового жидкостного двигателя внутреннего сгорания, содержащего гидросистему, состоящую из турбины и цилиндров, подающих на турбину из внешней камеры сгорания жидкость под давлением газов сгорающей топливной смеси и системы подготовки и воспламенения горючей смеси, при этом жидкостные двигатели объединены в один агрегат, цилиндры которого спарены в проточные блоки, закольцованы на общую турбину, поочередно заполняемыми жидкостью, отсекаемой от потока, отклоненного в спаренный цилиндр, при этом истечение жидкости под давлением газов из внешней камеры сгорания из первого цилиндра, поток снова возвращается в него, вытесняя газы, пока извергается спаренный цилиндр, а последующий блок четырехцилиндрового двигателя включается в действие при снижении давления в цилиндре предыдущего блока вдвое, значит обратно-пропорционально числу блоков двигателя. Многоцилиндровый жидкостный двигатель, содержащий гидросистему с цилиндрами, подающими на общую турбину жидкость с помощью давления газов из камер сгорания и системы подготовки и воспламенения горючей смеси, жидкостные двигатели объединены в один агрегат, проточные цилиндры которого спарены в блоки и поочередно заполняемы жидкостью, отсекаемой от потока, отклоненного в спаренный цилиндр, при этом после истечения жидкости давлением от его внешней камеры из первого цилиндра поток, давлением из спаренного, снова после турбины возвращается в первый, вытесняя газы, а последующий блок четырехцилиндрового двигателя включается в действие при снижении давления в предыдущем блоке вдвое. Изобретение обеспечивает повышение КПД двигателя за счет улучшения догорания топлива и уменьшение вредных выбросов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ создания многоцилиндрового жидкостного двигателя внутреннего сгорания, содержащего гидросистему, состоящую из турбины и цилиндров, подающих на турбину из внешней камеры сгорания жидкость под давлением газов сгорающей топливной смеси и системы подготовки и воспламенения горючей смеси, отличающийся тем, что жидкостные двигатели объединены в один агрегат, цилиндры которого спарены в проточные блоки, закольцованы на общую турбину, поочередно заполняемыми жидкостью, отсекаемой от потока, отклоненного в спаренный цилиндр, при этом истечение жидкости под давлением газов из внешней камеры сгорания из первого цилиндра, поток снова возвращается в него, вытесняя газы, пока извергается спаренный цилиндр, а последующий блок четырехцилиндрового двигателя включается в действие при снижении давления в цилиндре предыдущего блока вдвое, значит обратно-пропорционально числу блоков двигателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагнетатель воздуха и гидропривод нагнетателя воздуха расположены сверху на цилиндрах, и гидропривод соединен каналами с цилиндром, а подпружиненный шток его включает при возвратном ходе пневмоклапаны управления плунжером двигателя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют давление и количество жидкости в данном цилиндре по положению штока нагнетателя воздуха, затем подают плунжером рабочую смесь в камеру сгорания цилиндров и воспламеняют ее.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение скорости вращения турбины осуществляют за счет изменения типа и количества горючего, а также за счет изменения частоты срабатывания нагнетателя воздуха, регулируя выход воздуха из его камеры за поршнем.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что турбина выполнена с общим ротором и с разделенными диском полостями для потоков от разных блоков в общем корпусе, причем лопатки несколько отогнуты вперед по вращению перпендикулярно потоку, выходящему из сопла, и с обратным загибом их концов для удержания усилия струи из сопла.

6. Многоцилиндровый жидкостной двигатель внутреннего сгорания, содержащий гидросистему с цилиндрами, подающими на общую турбину жидкость с помощью давления газов из камер сгорания и системы подготовки и воспламенения горючей смеси, отличающийся тем, что жидкостные двигатели объединены в один агрегат, проточные цилиндры которого спарены в блоки и поочередно заполняемы жидкостью, отсекаемой от потока, отклоненного в спаренный цилиндр, при этом после истечения жидкости давлением от его внешней камеры из первого цилиндра поток давлением из спаренного снова после турбины возвращается в первый, вытесняя газы, а последующий блок четырехцилиндрового двигателя включается в действие при снижении давления в предыдущем блоке вдвое.