Турбопоршневой двигатель
Турбопоршневой двигатель содержит корпус, расположенные в его полости поршневые цилиндры с камерами сгорания и общей крышкой цилиндров, газораспределительное устройство с приводом управления выхлопными клапанами, направляющий аппарат, газовую турбину с рабочим колесом и механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, выполненный в виде маховика. Турбопоршневой двигатель дополнительно оснащен гидромотором, смонтированным в нижней его части и соединенным с гидронасосом. Газовая турбина установлена в корпусе с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси. Внутренняя часть рабочего колеса турбины имеет полость, в которой консольно размещены хвостовики лопаток. Наружная часть рабочего колеса выполнена в виде конической шестерни. Маховик механизма преобразования движения кинематически связан с гидромотором. Маховик выполнен состоящим из двух частей, которые соединяются по периметру профилированными лопатками и образуют нагнетатель воздуха. Верхняя часть маховика имеет профилированную поверхность для управления газовыхлопными клапанами, а в нижней его части по всему периметру выполнен Т-образный паз, взаимодействующий с зубчатыми шестернями редуктора. Внутренняя поверхность маховика выполнена конусообразной, параллельной поверхности блока цилиндров и плоскости движения шатунов и имеет рабочие направляющие дорожки для роликов, укрепленных на шатунах. Изобретение позволяет повысить экономичность двигателя и уменьшить загрязнение окружающей среды. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к турбопоршневым двигателям, и может быть использовано в машиностроении и автомобилестроении. В последнем случае предлагаемый двигатель может быть использован в качестве составной части трансмиссии автомобиля с супермаховиком.
В работах российского ученого Н.В.Гулиа описана конструкция автомобиля, в которой использован супермаховик. В качестве примера приведено описание автомобиля американского ученого Дэвида Рабенхорста. Конструкция данного автомобиля включает супермаховик с массой 100 кг, скоростью вращения до 23700 об/мин и возможностью запаса энергии в 24 мегаджоуля. Данный автомобиль имеет также стационарно установленный разгонный электродвигатель мощностью в 40 кВт и может иметь пробег до 60 км при средней скорости движения 90 км/час. Этот автомобиль не загрязняет воздух, но его конструкция требует наличия определенной инфраструктуры в виде электроподстанций для подзарядки. Предлагаемая конструкция двигателя предназначена, в частности, для подзарядки энергией супермаховика.
Известны “Двухтактный турбодизель и способ его работы” по патенту РФ №2061183, M. Kл. F 02 B 53/00, опубл. 27.05.1996 г.
Известный турбодизель содержит: корпус с цилиндрической внутренней поверхностью, расположенные в корпусе по окружности поршневые цилиндры с камерой сгорания, устройство для продувки и подачи воздуха в цилиндры, привод управления выхлопными клапанами и вал отбора мощности, на котором установлен газотурбинный двигатель.
Турбодизель содержит также механизм преобразования движения поршней, который выполнен в виде кулачкового механизма, причем шатуны поршней снабжены роликами, взаимодействующими с криволинейной поверхностью копиров.
К недостаткам данного двигателя следует отнести его невысокую надежность в работе вследствие больших ударных нагрузок в процессе возвратно-поступательного движения поршней, а также вследствие наличия пульсаций давления выходящих газов на рабочие лопатки, препятствующих получению сплошного потока газа по всей площади проходного сечения лопаток.
Известен также “Турбопоршневой двигатель” по патенту РФ №2165536, заявл. 24.05.99 г., опубл. 20.04.2001 г.
Данный двигатель является наиболее близким к заявляемому и может служить в качестве прототипа.
Известный двигатель содержит корпус с картером в нижней части, расположенные в корпусе поршневые цилиндры с камерами сгорания и общей крышкой цилиндров, газораспределительный орган с приводом управления выхлопными клапанами, направляющий аппарат, расположенную за ним газовую турбину с рабочим колесом, а также механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршней. Газовая турбина выполнена осевой, двухступенчатой и установлена в корпусе за направляющим аппаратом, являющимся продолжением выхлопного тракта.
Механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршней выполнен в виде маховика, который смонтирован на валу двигателя. На наружной поверхности маховика выполнены направляющие дорожки для перемещения роликов шатунов. В конструкции данного двигателя удалось существенно снизить ударные нагрузки в процессе возвратно-поступательного движения поршней, а также устранить эффект пульсаций газа путем создания его сплошного потока по всему периметру проходного сечения лопаток. Это привело к повышению надежности двигателя в работе, а также к возможности его надежного запуска. Двигатели подобной конструкции могут быть успешно применены в автомобилестроении.
Однако вышеописанный двигатель не может быть использован, например, для разгона супермаховика в трансмиссии автомобилей будущих поколений. Таким образом, известный двигатель имеет ограниченные возможности в применении.
Автор предлагаемого изобретения поставил перед собой следующие задачи:
- создание экономичного малогабаритного двигателя, конструкцией которого предусмотрено сведение к минимуму загрязнения окружающей среды;
- повышение надежности в работе двигателя путем обеспечения возможности безударного подключения и отключения кинематики супермаховика и газовой турбины, а также обеспечения возможности работы в повторно-кратковременном режиме.
Поставленные задачи достигаются за счет того, что турбопоршневой двигатель, содержащий корпус с расположенными в его полости поршневыми цилиндрами и камерой сгорания, газораспределительный орган с приводом, направляющий аппарат, газовую турбину и механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршней, который выполнен в виде маховика, дополнительно оснащен гидромотором, установленным в нижней его части, соединенным с гидронасосом и кинематически связанным с маховиком механизма преобразования движения.
Газовая турбина двигателя новой конструкции установлена в корпусе с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, внутренняя часть ее рабочего колеса имеет полость, в которой консольно размещены хвостовики лопаток турбины, наружная часть турбинного колеса выполнена в виде конической шестерни. Маховик механизма преобразования движения кинематически связан с гидромотором и выполнен состоящим из двух частей. Верхняя часть маховика имеет профилированную поверхность для управления газовыхлопными клапанами, в средней части по периметру установлены профилированные лопатки, образующие нагнетатель воздуха, а в нижней его части по всему периметру выполнен Т-образный паз, взаимодействующий с зубчатыми шестернями редуктора,
При этом внутренняя поверхность маховика выполнена конусообразной, параллельной поверхности блока цилиндров и плоскости движения шатунов и имеет направляющие дорожки для роликов, укрепленных на шатунах. Введение в конструкцию двигателя гидромотора, который приводит во вращение маховик, позволяет использовать двигатель в установке с гидравлическим приводом. Установка газовой турбины в двигателе с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, а также ее оригинальная конструкция позволяют обеспечить максимальную передачу энергии при ее выбеге, возможность достижения двигателем большой скорости набора оборотов, а также возможность безударного подключения и отключения турбины. Предложенный способ отбора мощности позволяет подбором передаточного отношения конических шестерен получить значительные обороты на выходе двигателя. Конусное расположение шатунно-поршневой группы позволяет увеличить диаметр рабочего колеса турбины, а также использовать маховик не только для управления газовыхлопными клапанами, но и как нагнетатель воздуха в цилиндры. Декомпрессионное устройство облегчает запуск двигателя, обеспечивает его защиту в тех случаях, когда давление масла ниже нормы. Использование бездетонационных видов топлива, например, таких, как спирт, позволяет увеличить степень его сжатия и в результате получить агрегатную мощность большую, чем при использовании бензина или дизельного топлива. В результате повышается к.п.д. турбопоршневого двигателя, а его использование позволяет значительно уменьшить загрязнение окружающей среды.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на:
фиг.1 схематично показан продольный разрез предлагаемого двигателя,
фиг.2 схематично изображена движительная установка автомобиля с супермаховиком.
Турбопоршневой двигатель содержит: корпус 1 с впускными окнами 2 для прохода воздуха по всему периметру, расположенные в полости корпуса 1 поршневые цилиндры 3 с камерами сгорания 4 и общей крышкой 5 цилиндров, на которой установлен переходник 6, в нижней части которого установлено декомпрессионное устройство 7, направляющий аппарат 8, газораспределительное устройство 9 с приводом 10 управления газовыхлопными клапанами 11, двухступенчатую газовую турбину 12 с рабочим колесом 13, установленную в корпусе с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, механизм 14 преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, выполненный в виде маховика 15. Турбопоршневой двигатель оснащен гидромотором 16, который смонтирован в нижней части корпуса 1, соединен с масляным насосом 17 и кинематически связан с маховиком 15. В нижней же части корпуса 1 установлена крышка картера 18, которая снизу закрыта герметичной крышкой 19 редуктора 20. В полости крышки 19 установлены шестерни 21 редуктора 20. В нижней части маховика выполнен Т-образный двухсторонний зубчатый паз 22. Внутренняя часть рабочего колеса 13 газовой турбины 12 имеет полость, в которой консольно размещены хвостовики лопаток 23, а наружная часть турбинного колеса 13 выполнена в виде конической шестерни 24. В переходнике 6 смонтированы лабиринтные уплотнения 25 колеса газовой турбины.
Газовыхлопной тракт 26 образован лопатками 27 спрямляющего аппарата 28 и вставкой 29.
Между маховиком 15 и корпусом 1 установлено по периметру окружности три ряда роликоподшипников 30. Корпус картера газовой турбины 31 соединен через фланцы переходника 6 с фланцами корпуса 1. Маховик 15 механизма 14 преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное выполнен состоящим из двух частей, соединенных по периметру профилированными лопатками 32, и образующим нагнетатель воздуха, лопатки которого расположены внутри корпуса маховика. Верхняя часть 33 маховика 15 имеет профилированную поверхность для управления газовыхлопными клапанами 11, а в нижней внутренней его части выполнен Т-образный двухсторонний зубчатый паз 22, в котором установлены шестерни-сателлиты 34, соединенные с шестернями 21. Внутренняя поверхность маховика 15 выполнена конусообразной, параллельной поверхности блока цилиндров 3 и плоскости движения шатунов и имеет рабочие направляющие дорожки 35 для роликов 36, укрепленных на шатунах. В крышке 5 блока цилиндров 3 установлены форсунки 37 и свечи 38. В корпусе картера 31 газовой турбины 12 установлена шлицевая рессора 39 конической шестерни 40. В центральной внутренней части двигателя установлены: емкость 41, имеющая форму входного направляющего аппарата для центробежного нагнетателя 42, редуктор 43, топливный насос 44, гидромотор 16 привода маховика 15, масляный насос 17. В цилиндрах 3 установлены поршни 45 и выполнены продувочные окна 46 как с внутренней, так и с наружной стороны. В нижней части цилиндров 3 установлены гидрокомпенсаторы 47. Привод декомпрессионного устройства 7 смонтирован с наружной стороны корпуса 1 двигателя. Направляющая дорожка 35 маховика 15 на внутренней поверхности имеет выступы, равные по высоте ходу поршня. Количество этих выступов соответствует числу рабочих ходов поршней 45 за один оборот, что позволяет получить значительную агрегатную мощность. Вышеописанный турбопоршневой двигатель 48 является составной частью трансмиссии автомобиля (фиг.2), которая содержит супермаховик 49, гидронасос 50, гидроаккумулятор 51, преобразователи 52 энергии торможения, гидромотор 16 двигателя 48, гидромоторы 53 колес, электростартер 54, рессору 55 (аварийную), напрямую соединяющую двигатель с гидронасосом 50, рессору раскрутки супермаховика 56, рессору 57 привода гидронасоса 50.
Движительная установка с турбопоршневым двигателем работает следующим образом:
В период длительной стоянки супермаховик 49 находится в покое. Для ввода его в работу электростартер 54 приводит в движение гидронасос 50, который при определенных оборотах под давлением подает масло в гидромотор 16 двигателя. Последний посредством шестерен 21 и 34 раскручивает маховик 15 и приводит в движение масляный насос 17, маховик 15 двигателя. При определенном давлении масла в системе включается декомпрессионное устройство 7, закрываются газовыхлопные клапаны 11, и движущиеся в цилиндрах 3 поршни 45 сжимают воздух, в который через форсунки 37 впрыскивается топливо. Топливо в цилиндрах 3 сгорает. Маховик 15 посредством выступов 33, выполненных в верхней его части, воздействует на газораспределительное устройство 9 с приводом 10 и газовыхлопные клапаны 11, открывают цилиндры 3, продукты сгорания через входной направляющий аппарат 8 поступают на лопатки 23 осевой двухступенчатой газовой турбины 12. Отдав энергию посредством вращения турбины 12, продукты сгорания выходят в газовыхлопной тракт 26. При работе двигателя в окна 46 цилиндров 3 поступает воздух от центробежного нагнетателя 42. Подачу топлива в цилиндры 3 можно регулировать. Это возможно осуществлять как при каждом ходе поршня, так и по определенной программе, в зависимости от нагрузки. Коническая шестерня 24 газовой турбины через шлицевую рессору 39, рессору 56 приводит в движение супермаховик 49. При достижении установленного числа оборотов - зарядки супермаховика 49 подача масла от гидронасоса 50 на гидромотор 16, а также подача топлива автоматически прекращается. Декомпрессионное устройство 7 открывает выхлопные клапаны 11. После отдачи энергии и падения оборотов до установленных газовая турбина 12 отключается от супермаховика 49, Число оборотов уменьшается, и турбопоршневой двигатель останавливается. Запасенная энергия супермаховиком расходуется на привод гидронасоса, что позволяет проехать без работы двигателя значительное расстояние до следующей зарядки. В случае неисправности супермаховика 49 привод гидронасоса 50 может осуществляться напрямую от турбопоршневого двигателя, через рессоры 55, 56.
Количество расходуемого топлива турбопоршневым двигателем в значительной степени будет зависеть от режимов его использования в составе трансмиссии автомобиля. По предварительной оценке расход топлива автомобиля весом 1500 кг не будет превышать 3 л на 100 км. Используя современные материалы, возможно сегодня изготовить супермаховик незначительных габаритов и с большим запасом энергии, что позволит эксплуатировать автомобили в черте городов без работы двигателя внутреннего сгорания.
1. Турбопоршневой двигатель, содержащий корпус, расположенные в его полости поршневые цилиндры с камерами сгорания и общей крышкой цилиндров, газораспределительное устройство с приводом управления выхлопными клапанами, направляющий аппарат, газовую турбину с рабочим колесом, механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, выполненный в виде маховика, отличающийся тем, что двигатель дополнительно оснащен гидромотором, смонтированным в нижней его части и соединенным с гидронасосом, а газовая турбина установлена в корпусе с возможностью свободного вращения относительно вертикальной оси, внутренняя часть ее рабочего колеса имеет полость, в которой консольно размещены хвостовики лопаток турбины, наружная часть рабочего колеса выполнена в виде конической шестерни, а маховик механизма преобразования движения кинематически связан с гидромотором и выполнен состоящим из двух частей, соединенных по периметру профилированными лопатками и образующих нагнетатель воздуха, при этом верхняя часть маховика имеет профилированную поверхность для управления газовыхлопными клапанами, а в нижней его части по всему периметру выполнен Т-образный паз, взаимодействующий с зубчатыми шестернями редуктора.
2. Турбопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность маховика выполнена конусообразной, параллельной поверхности блока цилиндров и плоскости движения шатунов и имеет рабочие направляющие дорожки для роликов, укрепленных на шатунах.
