Комбинированный двигатель и способ его работы

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению, и может быть использовано для приведения в движение транспортного средства. Целью изобретения является улучшение топливной экономичности двигателя и повышения его ресурса. Комбинированный двигатель содержит компрессор низкого давления с ротором, гильзой, установленной на опорах, камеру сгорания с форсунками и дополнительную машину расширения. Диски образуют комплекс распределения рабочего тела по цилиндрам двигателя. В цилиндрах расположены поршни, соединенные с помощью шатунов с коленчатыми валами, которые с помощью конических зубчатых колес соединены с валом диска распределения воздуха. Вал с помощью редуктора соединен с валом отбора мощности. Способ работы двигателя основан на непрерывной подачи топлива в камеру сгорания, в которую вместе с сжатым воздухом подается дополнительно атмосферный воздух. 2 с.п.ф-лы, 18 ил.

Изобретение относится к комбинированным двигателям с наддувом и с постоянным объемом сгорания и может найти применение в народном хозяйстве, в частности на транспорте.

Известны комбинированные двигатели с периодическим сгоранием топлива. Однако в таких двигателях из-за пульсации давления на все 100% при периодическом сгорании топлива не реализуется преимущества цикла с постоянным объемом сгорания.

По предлагаемому способу работы комбинированного двигателя сжигание топлива в камере сгорания осуществляется непрерывно, при этом предварительно с жатый воздух в компрессоре дополнительно сжимается в цилиндрах двигателя и подводится в камеру сгорания. Объем камеры сгорания выбирается намного больше объема сжатого воздуха в цилиндрах двигателя. При этом объем продуктов, подводимых в цилиндры двигателя, намного меньше объема камеры сгорания. При подводе порции воздуха из цилиндров в камеру сгорания вследствие повышения давления воздуха, находящегося над поршнем коленчатый вал двигателя нагружается, однако при подводе порции газов из камеры сгорания в цилиндры двигателя указанный коленчатый вал разгружается. При этом работа, затраченная на подвод порции воздуха из цилиндров в камеру сгорания, компенсируется работой, возвращенной к валу при наполнении цилиндров газами из камеры сгорания.

Эффективная работа определяется при этом по значениям температуры Т_г^* продуктов в камере сгорания и давления продуктов Р^1*₂, при сообщении объема камеры сгорания с объемом сжатого в цилиндрах воздуха и сообщении объема порции газов при наполнении с объемом камеры сгорания с учетом потерь давления, где величина Р^1*₂= σ₁Р₂^*, σ₁ - коэффициент потерь давления рабочего тела при сообщении камеры сгорания с объемом цилиндров в начале наполнения.

P^*₂ = P - полное давление в камере сгорания, Р_ц^* - давление воздуха в конце сжатия в цилиндрах, Т_ц^* - температура воздуха в конце сжатия в цилиндрах.

В данном техническом решении предусматривается улучшение экономичности двигателя, улучшение температурных условий машины расширения газов, установленной на выходе газов из цилиндров, с целью повышения ресурса.

Это достигается подводом в цилиндры двигателя на промежуточных процессах атмосферного воздуха, сжатием этого воздуха в цилиндрах двигателя и отвода сжатого воздуха к смесителю этого воздуха с выхлопными газами от цилиндров, установленному на входе машины дополнительного расширения газо-воздушной смеси, выполнением комбинированного двигателя с комплексом распределителя рабочего тела, снабженного дополнительно воздухозаборником атмосферного воздуха к цилиндрам двигателя, окна и каналы отвода этого сжатого воздуха к указанному смесителю воздуха и выхлопных газов, при этом у комплекса распределителя рабочего тела количество мест подвода газов от камеры сгорания к цилиндрам больше, чем количество мест подвода сжатого воздуха из цилиндров в камеру сгорания, комплекс распределителя рабочего тела кинематически с помощью редуктора соединен с коленчатыми валами с передаточным отношением i = = 4, где n_кв - частота вращения коленчатых валов, n_д - частота вращения дисков комплекса распределителя рабочего тела.

При таком выполнении комбинированного двигателя обеспечиваются в цилиндрах процессы наполнения воздухом от компрессора, процессоры сжатия этого воздуха в цилиндрах, процессы расширения газов в цилиндрах после подвода их из камеры сгорания, процессы подвода воздуха к цилиндрам из атмосферы, процессы сжатия этого воздуха в цилиндрах, выхлоп этого сжатого воздуха к смесителю с выхлопными газами.

На фиг. 1 представлен общий вид комбинированного двигателя; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез Б-Б с поворотом ротора на 180^о по отношению принятому первоначальному положению отсчета; на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 6 - разрез Г-Г на фиг. 1; на фиг. 7 - разрез Д-Д на фиг. 1; на фиг. 8 - разрез Е-Е на фиг. 1; на фиг. 9 - разрез Ж-Ж на фиг. 1; на фиг. 10 - разрез И-И на фиг. 1; на фиг. 11 - развертка К-К на фиг. 6; на фиг. 12 - разрез Л-Л на фиг. 8; на фиг. 13 - развертка М-М на фиг. 10; на фиг. 14 - общий вид комбинированного двигателя с двумя цилиндрами для значений эффективной мощности N_эф=40...100 л.с.; на фиг. 15 - разрез Н-Н на фиг . 14; на фиг. 16 - развертка Р-Р на фиг . 15; на фиг. 17 - вариант выполнения комбинированного двигателя с двумя цилиндрами, оси которых расположены на одной линии и которые расположены по обе стороны от коленчатого вала; на фиг. 18 - разрез П-П на фиг. 17.

Комбинированный двигатель содержит компрессор 1 низкого давления, выполненный как роторный с ротором 2, с гильзой 3, установленной эксцентрично относительно оси вращения ротора на опорах 4 и 5.

Опоры ротора 2 обозначены позициями 6 и 7.

Со стороны входа компрессора 1 расположен диск 8 распределения воздуха, закрепленный на валу ротора, а со стороны выхода воздуха из компрессора 1 установлен диск 9 распределения сжатого воздуха. Соосно валу 10 ротора расположен вал 11 диска 12 распределения сжатого воздуха от компрессора 1 низкого давления. Этот вал 11 кинематически с помощью редуктора 13 соединен с валом 10. Продолжение вала 10 со стороны входа компрессора может служить валом отбора мощности.

За диском 12 расположены цилиндры 14 наполнения и сжатия воздуха, поступающего от компрессора 1 низкого давления через этот диск 12 распределения воздуха.

В цилиндрах 14 расположены поршни 15. Для забора воздуха диск 12 снабжен воздухозаборником 16 . Для выхода сжатого воздуха от цилиндров 14 диск 12 снабжен патрубком 17 отвода воздуха.

Поршни 15 с помощью шатунов 18 кинематически соединены с коленчатыми валами 19. Коленчатые валы 19 с помощью конических зубчатых колес 20 и шестерни 21 кинематически соединены с валом 11 диска 12 распределения воздуха.

Передаточное отношение между коленчатыми валами и диском 12 выполняется равным i = = 4, где i - указанное передаточное отношение n_кв - частота вращения коленчатых валов, n_д - частота вращения диска 12.

Это передаточное отношение обеспечивается соответствующим выбором чисел зубьев конической шестерни 21 и конического колеса 20.

Отношение = 4, где Z₂ - число зубьев конической шестерни 21, Z₁ - число зубьев конического колеса 20.

Выход воздуха из цилиндров 14 через диск 12 распределения воздуха сообщен с камерой 22 сгорания, в которой установлены форсунки 23 непрерывной подачи топлива.

Выход камеры 22 сгорания сообщен с полостью диска 24 распределения газов от этой камеры сгорания и атмосферного воздуха. Диск 24 установлен на валу 11. Этот диск 24 снабжен заборником 25 газов от камеры сгорания и заборником 26 атмосферного воздуха. С другой стороны этого диска 24 расположены патрубки 27 и 28 соответственно отвода сжатого атмосферного воздуха и расширенных газов к смесителю 29 от цилиндров 30. Цилиндры 30 предназначены для расширения газов, подводимых к ним от камеры сгорания через диск 24 и сжатия атмосферного воздуха, подводимого к ним через диск 24 и воздухозаборник 26.

Диски 12 и 24 образуют комплекс распределения рабочего тела по цилиндрам двигателя.

В цилиндрах 30 установлены поршни 31, кинематически соединенные с помощью шатунов 32 с коленчатыми валами 33. На коленчатых валах 33 установлены конические зубчатые колеса 34, 35. Коленчатые валы 33 с помощью этих зубчатых колес 34, 35 и зубчатых конических шестерен 36, 37 кинематически соединены с валом 11.

Передаточное отношение i между коленчатыми валами 33 и валом 11, на котором расположен диск 24, выбирается также i = = 4 = , где Z₄ - количество зубьев конических шестерен 36, 37 и Z₃ - количество зубьев конических колес 34, 35.

В тракте за смесителем 29 расположена дополнительная машина 38 расширения газовоздушной смеси. Эта машина расширения по фиг. 1 выполнена как роторная с ротором 39, с гильзой 40, установленной эксцентрично относительно оси вращения ротора.

Роторы 39 и 2 расположены на общем валу 10.

Дополнительная машина 38 расширения газовоздушной смеси со стороны подвода газовоздушной смеси снабжена диском 41 распределения газовоздушной смеси, подводимого по каналу 42, а со стороны выхода газов - диском 43 распределения газов.

Для отвода расширенной газовоздушной смеси в атмосферу выполнен патрубок 44.

Канал подвода воздуха к компрессору 1 низкого давления обозначен позицией 45, 46 - стойки крепления, 47 - опора.

На фиг. 2 показана крышка 49 компрессора низкого давления, окна 50 подвода атмосферного воздуха к компрессору 1, выполненные на крышке 49, и окно 51, выполненный в диске 8.

Опора 52 гильзы 3 выполнена эксцентрично относительно оси вращения ротора 2.

На фиг. 3 показаны корпуса 53 и 54 компрессора 1. камеры 55 и 56 рабочего тела.

На внутреннем диаметре корпуса компрессора могут быть установлены эластичные элементы 57. Эти эластичные элементы могут быть выполнены в виде металлорезины.

На корпусе компрессора 1 неподвижно установлены цилиндрические направляющие 58, на которых установлены перегородки 59. Между цилиндрическими направляющими 58 и перегородками 59 образованы полости 60, в которые подводится смазывающая, охлаждающая и поддавливающая перегородки 59 к гильзе ротора жидкость.

Камеры 55 и 56 рабочего тела образованы внутренним диаметром корпуса компрессора, гильзой 3 ротора 2, крышками компрессора 1 и перегородками 59. На фиг. 3 изображен вариант выполнения компрессора 1 низкого давления с двумя камерами рабочего тела. Количество цилиндров К в общем виде может быть задано К=2ⁿ, где n - числа натурального ряда от 1 до n.

На фиг. 3 сокращенные надписи обозначают: Сж. в. - сжатие воздуха, Н.В. - наполнение воздуха для принятого направления вращения ротора.

На фиг. 4 изображено положение ротора после поворота на 180^о по отношению к принятому начальному отсчету.

На фиг. 5 изображено окно 61, выполненное в диске 9, окна 62 отвода сжатого воздуха из камер рабочего тела компрессора 1, выполненные на крышке 63 компрессора 1, опора 64 гильзы, расположенная эксцентрично относительно оси вращения ротора 2.

На фиг. 6 изображены окна 65 подвода воздуха к цилиндрам 14 от компрессора, полости 66 подвода воздуха от компрессора 1 низкого давления через воздухозаборник 16 диска 12 распределения воздуха, полости 67 отвода сжатого воздуха из цилиндров 14 к камере 22 сгорания.

На фиг. 7 показаны окна 68 подвода газовоздушной смеси к камерам рабочего тела дополнительной машины 38 расширения газовоздушной смеси, полость 69 подвода газовоздушной смеси, расположенная в диске 41. Окна 66 расположены на крышке 70 дополнительной машины расширения.

На фиг. 8 показаны камеры 71 и 72 рабочего тела дополнительной машины расширения газовоздушной смеси, корпуса 73 этой машины эластичные элементы 74, которые могут быть установлены на внутреннем диаметре корпуса и камер рабочего тела. Перегородки 75 также как и в компрессоре 1 низкого давления устанавливаются на цилиндрических направлениях 76, закрепленных неподвижно на корпусе. Между перегородками 75 и цилиндрическими направляющими 76 образованы полости 77 для подвода смазывающей, охлаждающей и поддавливающей перегородки 76 к гильзе 40 ротора 39 жидкости. Штуцера 78 у цилиндрических направляющих 76 для подвода или отвода жидкости.

На фиг. 9 изображены окна 79 отвода расширенной газовоздушной смеси от дополнительной машины расширения, полость 80 отвода газовоздушной смеси. Окна 79 расположены на крышке 81 указанной машины дополнительного расширения газовоздушной смеси, полость 80 выполнена на диске 43.

На фиг. 10 показаны полости 82 подвода атмосферного воздуха к цилиндрам 30 через воздухозаборник 26 диска 24 распределения газов и воздуха, окна 83 отвода этого сжатого воздуха к смесителю 29, полости 84 подвода газов от камеры сгорания 22 к цилиндрам 30, полости 85 отвода выхлопных газов из цилиндров 30 после их расширения.

Указанные полости выполнены в диске 24 и сообщены с соответствующими заборниками 25, 26 и патрубками 27, 28.

На развертке К-К по цилиндрам на фиг. 11 показаны первоначально принятые расположения поршней в цилиндрах 14.

На фиг. 12 показаны ролики 86, установленные на подшипниках 87 перегородок 75. Эти ролики опираются на гильзу 40 ротора 39. При этом в местах сопряжения роликов с перегородкой могут быть выполнены лабиринтные уплотнения.

Такие ролики могут быть выполнены также у ротора компрессора низкого давления.

Такие ролики могут быть выполнены также у ротора компрессора низкого давления.

На фиг. 13 показаны взаимные положения поршней цилиндров 30 с соответствующими полостями подвода воздуха из атмосферы, отвода сжатого воздуха из цилиндров к смесителю 29, полостями подвода газов от камеры сгорания к этим цилиндрам и отвода расширенных газов из цилиндров к смесителю 29.

На фиг. 14 показаны цилиндры 88, заборник 89 атмосферного воздуха, патрубок 90 подвода сжатого воздуха от цилиндров 8 к камере сгорания 22, заборник 91 воздуха от компрессора к цилиндрам 88 через комплекс распределения рабочего тела. Комплекс распределения рабочего тела выполнен как один диск.

На фиг. 15 показаны полость 92 подвода воздуха от компрессора к цилиндрам 88, полость 93 отвода сжатого воздуха к камере сгорания, полость 94 подвода продуктов от камеры сгорания к цилиндрам 88, полости 95 отвода расширенных продуктов из цилиндров 88 к смесителю 29, полости 96 подвода атмосферного воздуха к цилиндрам 88, полость 97 отвода сжатого воздуха из цилиндров 88 к смесителю 29.

На фиг. 16 показаны взаимные расположения поршней и указанных полостей для определенного положения.

На фиг. 17 показаны компрессор 1 низкого давления, ротор 2 этого компрессора, гильза 3 ротора. Гильза ротора установлена на опорах 4, 5, расположенных эксцентрично относительно оси вращения. Диск распределения воздуха на входе обозначен цифрой 6, а на выходе обозначен цифрой 7. На этой фигуре канал выхода от компрессора низкого давления обозначен цифрой 8. За этим каналом установлен диск 9 распределения рабочего тела, который для одной группы цилиндров является комплексом распределения рабочего тела. Цилиндры комбинированного двигателя обозначены цифрами 10 и 11.

В рядах 12 и 13 располагаются соответствующие полости сообщения цилиндров 10 и 11 с компрессором, камерой сгорания, с атмосферой и со смесителем (обозначения их даны ниже).

В цилиндре 10 расположен поршень 14. Поршень 14 кинематически соединен с шатуном 15 .

В цилиндре 11 расположен поршень 16, кинематически соединенный с шатуном 17. Шатуны 15 и 17 в свою очередь кинематически соединены с коленчатым валом 18 двигателя.

Диск 9 распределения рабочего тела снабжен патрубками 19 выхода сжатого воздуха из цилиндров после подвода из атмосферы 20, выхода выхлопных газов после расширения, поступающих в цилиндры из камеры сгорания 21.

Диск 9 снабжен также воздухозаборником 22 подвода воздуха от компрессора в цилиндры двигателя. Выход 23 сжатого воздуха от цилиндров с тракта выхода компрессора низкого давления сообщен с камерой сгорания 21. Патрубок отвода газов у диска 9 обозначен цифрой 24.

Форсунка непрерывной подачи топлива, установленная в потоке первичного воздуха камеры сгорания 21 обозначена цифрой 25.

В тракте выхода воздуха от патрубка 19 и выхода газов от патрубка 20 расположен канал 26 подвода газовоздушной смеси к дополнительной машине 27 расширения газовоздушной смеси. Эта машина расширения выполняется аналогично фиг. 1 и имеет ротор 28, гильзу 29, установленную эксцентрично относительно оси вращения роторов 28 и 2. На валу ротора 28 со стороны подвода газовоздушной смеси устанавливается распределитель 30, а со стороны выхода расширенной газовоздушной смеси, также на валу ротора, устанавливается распределитель 31 выхлопа через патрубки 32.

Коленчатый вал 18 двигателя через редуктор 33 кинематически соединен с валом диска 9. Передаточное отношение этого редуктора i = = 4, где n_кв - частота вращения коленвала 18, n_д - частота вращения диска 9.

Вал 34 отбора мощности выполнен как продолжение коленчатого вала 18.

В канале 26 за патрубками 19 и 20 расположен смеситель 35 атмосферного воздуха после сжатого в цилиндрах и расширенных газов от цилиндров от тракта камеры сгорания.

Диск 9 снабжен также заборником 36 атмосферного воздуха.

На фиг. 18 показаны полость 37 отвода сжатого воздуха от цилиндров к камере сгорания, полости 38 подвода газов от камеры в цилиндры двигателя, полости 39 отвода расширения газов из цилиндров двигателя к смесителю 35, полость 40 подвода атмосферного воздуха к цилиндрам двигателя, полость 41 отвода сжатого атмосферного воздуха к смесителю 35, окно 42 подвода воздуха от компрессора к цилиндрам двигателя, окно 43 отвода сжатого воздуха от цилиндра к камере сгорания, окна 44 подвода газов от камеры сгорания к цилиндрам двигателя, окна 45 выхлопа газов из цилиндров к смесителю, окно 46 подвода атмосферного воздуха к цилиндрам двигателя, окно 47 отвода сжатого атмосферного воздуха к смесителю, полость 48 подвода воздуха от компрессора к цилиндрам двигателя.

Комбинированный двигатель работает следующим образом.

Двигатель запускается от раскрутки валов роторов компрессора низкого давления, дополнительной машины расширения газовоздушной смеси, коленчатых валов цилиндров, включения зажигания и подачи топлива в камеру 22 сгорания через форсунки 23 (см. фиг. 1).

При этом атмосферный воздух, поступающий в камеру рабочего тела компрессора низкого давления сжимается в них от вращения ротора с гильзой и в определенные моменты времени подводится к цилиндрам 14 двигателя.

Воздух в этих цилиндрах дополнительно сжимается и отводится через соответствующие полости диска 12 в камеру сгорания 22. Продукты от камеры сгорания также в определенные моменты времени через соответствующие полости диска 24 подводятся к цилиндрам 30 двигателя и после расширения в них через соответствующие полости диска 24 и патрубок 28 отводится к смесителю 29.

В цилиндры 30 на промежуточных процессах после выхлопа расширенных газов подводится атмосферный воздух. Этот воздух сжимается в цилиндрах 30 и отводится через диск 24 к смесителю 29. Выхлопные газы и сжатый атмосферный воздух от цилиндров 30 смешиваются в смесителе 29, далее газовоздушная смесь поступает в машину 38 дополнительного расширения газовоздушной смеси.

Мощность от работы расширения газов в цилиндрах и расширения газовоздушной смеси в машине 38 дополнительного расширения отводится к валу отбора мощности.

В комбинированных двигателях, выполненных по фиг. 14, 15, 16 и по фиг. 17, 18, процессы наполнения цилиндров воздухом от компрессора, сжатия этого воздуха в цилиндрах, подвода продуктов в цилиндры от камеры сгорания, расширения этих продуктов в цилиндрах, отвода расширенных газов к смесителю, а также подвода атмосферного воздуха к цилиндрам, сжатия этого воздуха в цилиндрах и отвода этого сжатого воздуха к смесителю осуществляются от комплекса распределения рабочего тела, состоящего из одного диска.

Формула изобретения

1. Комбинированный двигатель, содержащий компрессор, вал отбора мощности, камеру сгорания, выход компрессора по меньшей мере через один диск комплекса распределения рабочего тела, установленного со стороны торцев по меньшей мере одной группы цилиндров с поршнями, шатунами и коленчатыми валами сообщен с цилиндрами, отличающийся тем, что, с целью повышения ресурса двигателя и улучшения топливной экономичности, он снабжен дополнительной машиной расширения, а диски комплекса распределения рабочего тела выполнены с каналами подвода воздуха от компрессора к цилиндрам с каналами отвода сжатого воздуха из цилиндров от тракта компрессора к камере сгорания, с каналами подвода продуктов сгорания из камеры сгорания к цилиндрам, с каналами отвода расширенных газов из цилиндров, с каналами подвода атмосферного воздуха к цилиндрам, с каналами отвода сжатого воздуха из цилиндров от атмосферного тракта к смесителю, установленному на входе дополнительной машины расширения газовоздушной смеси, при этом между коленчатыми валами и валом дисков комплекса распределения рабочего тела установлены зубчатые шестерни с передаточным отношением равным четырем, а у комплекса распределения рабочего тела количество мест подвода продуктов сгорания от камеры сгорания к цилиндрам выполнено большим количества мест подвода воздуха от компрессора к цилиндрам, при этом количество цилиндров K выбрано из ряда натуральных чисел n по выражению K = 2ⁿ.

2. Способ работы комбинированного двигателя, основанный на сжатии воздуха, подаче его в камеру сгорания и подачу топлива в эту камеру, сжигание смеси и отвода продуктов сгорания, отличающийся тем, что подачу топлива в камеру сгорания осуществляют непрерывно, при этом к цилиндрам дополнительно подводят атмосферный воздух, который сжимают в цилиндрах и отводят к смесителю, где смешивают их с выхлопными газами от цилиндров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18