Двигатель
Изобретение относится к машиностроению и может быть применено на транспортных средствах и других объектах. Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность создания экологически чистого двигателя, работающего на обедненных смесях. Изобретение описывает газотурбинный двигатель импульсного типа с двухступенчатым компрессором, первая ступень которого выполнена в виде воздушной турбины, а вторая в виде поршневого компрессора, в цилиндре которого кривошип с ползуном перемещает возвратно-поступательно поршень двухстороннего действия. При движении поршня в цилиндре воздух всасывается в цилиндр и нагнетается во вращающиеся камеры сгорания со степенью сжатия в десять и более единиц, в которые впрыскивается топливо. Впрыскиваемое топливо в камере сгорания проходит физико-химическую подготовку по времени на порядок дольше, чем у двигателя внутреннего сгорания, сгорает при постоянном объеме, затем открывается выпускное окно, и поток газов вырывается к лопастям турбины, расширяется и производит работу, вращая турбину, которая приводит в действие первую и вторую ступени компрессора. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к машиностроению и может быть применено на транспортных средствах и других объектах.
Известны двигатели внутреннего сгорания, в которых воздух всасывается в цилиндры, сжимается и вместе с топливом сгорает в цилиндре при изменяющемся объеме (Автомобильные двигатели, изд. Высшая школа, 1969). Подобные двигатели внутреннего сгорания состоят из блока цилиндров, гильз цилиндров, поршней с шатунами, головки блока, коленчатого вала с маховиком, клапанного механизма газораспределения, систем питания воздухом и топливом, смазки, охлаждения, запуска двигателя. Рабочий цикл таких двигателей включает процессы всасывания воздуха с топливом в цилиндры, сжатие в камере сгорания, расположенной в одной полости с цилиндром, воспламенение смеси электрической искрой, сгорание, расширение газов и выпуск через клапаны наружу.
Процесс сгорания рабочей смеси в цилиндре происходит при изменяемом объеме в тысячные доли секунды, и топливо не успевает пройти необходимую физико-химическую подготовку к сгоранию, в результате, в ряде случаев происходит не полное сгорание рабочей смеси и загрязнение атмосферы токсичными остатками отработавших газов. Кроме этого, кинематическая схема кривошипно-шатунного механизма преобразует менее 50% индикаторной мощности в механическую работу.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность создания экологически чистого двигателя, работающего на обедненных смесях.
Согласно изобретению двигатель содержит блок цилиндров, гильзы, поршни, коленчатый вал, механизм газораспределения, системы смазки, подачи топлива, зажигания и запуска двигателя. При этом двигатель также включает в себя несущий цилиндр, который служит основанием двигателя и выполнен из двух гильз, запрессованных одна в другую. Между гильзами выполнены масляные полости, в средней части гильз установлены гнезда под подшипники кривошипа, снаружи сделаны ребра охлаждения, а с торцов гильз выполнены посадочные места для шаровых узлов. Поршень выполнен двухстороннего действия, а в середине поршня сделана рамка с полозьями, расположенными перпендикулярно оси поршня. На днищах поршня установлены уплотнительные кольца и закреплены выступы. Кривошип выполнен разборным и осями установлен на шариковых подшипниках, щеки осей кривошипа соединены шлицевым пальцем. Палец с двумя сухарями образует ползун и расположен в рамке поршня. Каждый из шаровых узлов, установленных с торцов цилиндра, включает в себя корпус и шаровой золотник. В корпусе каждого шарового узла закреплены гнезда для цапф шарового золотника, сделаны окно для впуска воздуха или смеси воздуха с топливом в цилиндр, окно для выпуска потока газов, окно, соединяющее корпус с воздуховодом, и сделаны канавки для пористых вставок, установлены свеча зажигания и форсунка, сделан канал для продувки камер сгорания, снаружи выполнены ребра охлаждения. Шаровой золотник с закрепленными на нем в гнездах цапфами, установлен на шариковых подшипниках в корпусе шарового узла. Снаружи золотника сделаны три сферические камеры сгорания, расположенные под углом 120° друг к другу, вокруг которых в канавках установлены уплотнительные кольца. На одной цапфе каждого золотника установлены шестерни привода, которые находятся в зацеплении с промежуточными шестернями привода, установленными на цапфах, закрепленных на цилиндре, и далее с шестерней привода, установленной на оси кривошипа. Турбина со ступицей установлена на оси кривошипа. На диске турбины установлены рабочие лопасти, малая воздушная турбина с фильтром, магнето, противовес для уравновешивания поршневой группы и зубчатый венец для запуска двигателя стартером. С турбиной сопряжен газоотвод. Система смазки включает масляные нагнетательный и откачивающий насосы, масляные полости и пористые вставки в шаровых корпусах, которые, при подаче к ним смазки, становятся влажными и смазывают поверхность шаровых золотников. Система зажигания включает магнето, свечи зажигания и генератор. При вращении кривошипа ползун вращается вместе с кривошипом и одновременно перемещается в рамке поршня, что приводит поршень в движение. Шаровой золотник с камерами сгорания также вращается, при этом в цилиндре в одной полости происходит всасывание воздуха, а в другой полости воздух сжимается и нагнетается в камеру сгорания. В камеру сгорания со сжатым воздухом через форсунку впрыскивается топливо, происходит его физико-химическая подготовка к сгоранию, подается искра через свечу, смесь воздуха с топливом сгорает, и давление газов возрастает до максимального. Затем кромкой камеры сгорания открывается окно выпуска газов, и поток газов с большим ускорением мгновенно вылетает к лопастям турбины и вращает турбину. Камера сгорания очищается от остатков газов воздухом от вентилятора продувки. Вентилятор продувки также подает воздух в газоотвод, в зону выхода газов из турбины для догорания топлива на случай работы двигателя на богатых смесях. Шаровой золотник с камерами сгорания вращается в три раза медленнее кривошипа. При работе двигателя на дизельном топливе или смеси нефти с бензинами впрыск происходит через форсунку, установленную в воздуховоде возле впускного окна шарового корпуса. Двигатель выполнен в виде модуля и может быть соединен с помощью муфт с другими такими же модулями.
Изобретение описывает газотурбинный двигатель импульсного типа с двухступенчатым компрессором, первая ступень которого выполнена в виде воздушной турбины, а вторая в виде поршневого компрессора, в цилиндре которого кривошип с ползуном перемещает возвратно-поступательно поршень двухстороннего действия. При движении поршня в цилиндре воздух всасывается в цилиндр и нагнетается во вращающиеся камеры сгорания со степенью сжатия в десять и более единиц, впрыскиваемое топливо в камере сгорания проходит физико-химическую подготовку по времени на порядок дольше, чем у двигателя внутреннего сгорания, сгорает при постоянном объеме, затем открывается выпускное окно, и поток газов вырывается к лопастям турбины, расширяется и производит работу, вращая турбину.
Изобретение поясняется чертежами фиг.1-3.
На чертежах изображен двигатель, состоящий из несущего цилиндра 1, двухстороннего поршня 2, кривошипа 3 с противовесами 10, шаровых узлов 4, рабочей турбины 5, воздушной турбины 6, газоотвода 11, шестерен 7, 8, 9 привода шаровых золотников 32, систем смазки, питания воздухом и топливом, охлаждения и запуска двигателя.
Несущий цилиндр 1 выполнен из двух гильз 12 и 13, запрессованных одна в другую, на нем закреплены все основные узлы и детали двигателя. Между гильзами 12 и 13 расположены масляные полости "м". В средней части цилиндра 1, перпендикулярно его продольной оси, закреплены два гнезда 16 для шариковых подшипников 17 кривошипа 3. С торцов цилиндра 1 установлены шаровые узлы 4, с боков закреплены цапфы 44 промежуточных шестерен 8 привода шарового золотника 32, снаружи выполнены ребра 48 охлаждения.
Поршень 2 двухстороннего действия делит внутреннюю полость цилиндра 1 на две равные части "а" и "б" с изменяющимися объемами. В середине поршня 2, перпендикулярно продольной оси поршня 2, сделана рамка 30, в которой расположен палец 21 кривошипа 3 с двумя сухарями 22, которые выполняют функции ползуна 27. На поршне 2 установлены уплотнительные кольца 28 и два выступа 29.
Кривошип 3 выполнен разборным со съемным пальцем 21 и сухарями 22 и установлен на двух шариковых подшипниках 17 в гнездах 16 цилиндра 1. На осях 35 кривошипа 3 сделаны шлицы 52 для установки ступицы 18 турбины 6 с муфтой 24 и муфты 23 для соединения двигателей 51 между собой, закреплены противовесы 10 и установлена ведущая шестерня 7.
Шаровые узлы 4 установлены с торцов цилиндра 1, каждый шаровой узел 4 состоит из шарового корпуса 31 и шарового золотника 32. Шаровой корпус 31 выполнен разъемным, по периметру выполнены два отверстия "и" для размещения цапф 15 шарового золотника 32, окно "д" для впуска воздуха в цилиндр 1 и нагнетания воздуха в камеры сгорания, окно "н" для соединения воздуховода 47 с окном "д" цилиндра 1, окно "с" для выхода потока газов к лопастям 37 рабочей турбины 5, канал "п" для продувки камер сгорания воздухом после выхода потока газов. Два шаровых золотника 32 установлены и вращаются в шаровых корпусах 31 на подшипниках 20, установленных в гнездах 19 шарового корпуса 31. Внутри каждого золотника 32 сделаны по три камеры сгорания ка1, ка2, ка3 и кб1, кб2, кб3 в виде шаровых полостей, вокруг этих полостей установлены в канавках круглые уплотнительные кольца 33. На цапфах 15, с одной стороны, установлены шестерни 9 привода золотников 32, которые находятся в зацеплении с промежуточными шестернями 8. Для смазки шарового золотника 32 в стенке шарового корпуса 31 установлены пористые вставки 36 из металлокерамики, которые под небольшим давлением пропускают микрочастицы смазки, становятся влажными и смазывают поверхность шарового золотника 32.
Рабочая турбина 5, состоящая из ступицы 18, диска 34 и лопастей 37, установлена ступицей 18 на оси 35 кривошипа 3. На диске 34 турбины 5 закреплены магнето 40, воздушная турбина 6 с фильтром 26, вентилятор 25 и противовес 45 для уравновешивания сил инерции поршня 2 и кривошипа 3. Система подачи воздуха и топлива включает воздушную турбину 6 с фильтром 26, воздуховоды 47, вентилятор 25, топливный насос 41, форсунку 42, установленную в шаровом корпусе 31 и форсунку 43, установленную в воздуховоде 47.
Система смазки состоит из масляных нагнетательного и отсасывающего насосов 46, масляных полостей "м", вставок 36 из металлокерамики.
Система зажигания включает магнето 40, генератор 49 и свечу зажигания 50.
Для охлаждения двигателя снаружи цилиндра 1 и шаровых корпусов 31 выполнены ребра 48.
Запуск двигателя осуществляется стартером (на чертежах не показан) через зубчатый венец 39, установленный на кожухе 53 лопастей 37 турбины 5.
Двигатель работает следующим образом. При вращении кривошипа 3 ползун 27 вращается вместе с кривошипом 3 и одновременно перемещается в рамке 30, в результате поршень 2 движется в цилиндре 1 возвратно-поступательно. Одновременно вращается рабочая турбина 5, и воздушная турбина 6 подает воздух в воздуховоды 47. В полости "а" происходит процесс всасывания воздуха в цилиндр 1 из воздуховода 47 через камеру сгорания ка1 и окно "д". В полости "б" воздух сжимается и нагнетается в камеру сжатия кб1. Шаровые золотники 32 вращаются в три раза медленнее, чем кривошип 3. Поршень 2 продолжает движение, в полости "а" цилиндра 1 закончился процесс всасывания. В полости "б" закончился процесс нагнетания воздуха в камеру сгорания кб1, шаровой золотник 32 поворачивается, и камера сгорания кб1 уходит из зоны окна "д". В камеру сгорания кб1 впрыскивается топливо форсункой 42, и происходит процесс физико-химической подготовки топлива к сгоранию с периодом 45°-50° по углу поворота шарового золотника 32 или 135°-150° по углу поворота кривошипа 3. Затем рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи 50 зажигания, и смесь сгорает при постоянном объеме, и давление нарастает до максимального. Шаровой золотник 32 продолжает вращаться, и кромка камеры сгорания кб1 открывает окно "с", в результате поток сжатых газов с большим ускорением вырывается к лопастям 37 рабочей турбины 5, расширяется и вращает турбину 5. Аналогичные и последовательные процессы происходят в других камерах сгорания. При работе двигателя на дизельном топливе или смеси нефти с бензином с целью увеличения времени подготовки этого топлива к сгоранию в воздуховоде 47 возле окна "н" установлена форсунка 43, которая впрыскивает топливо в зону окна "н", и топливо с воздухом поступает в полости "а" и "б" цилиндра 1, где предварительно смешивается.
В двигателе 51 поршень 2 с цилиндром 1 выполняют функции нагнетателя воздуха в камеры сгорания. Процессы физико-химической подготовки топлива к сгоранию, сгорание рабочей смеси, выпуск потока сжатых газов и расширение не зависят от положения поршня 2 в цилиндре 1. При увеличении степени сжатия, т.е. при уменьшении объемов камер сгорания, двигатель может работать в дизельном варианте. Двигатель экологически чистый, работает на обедненных смесях, кроме того, после выхода потока газов камеры сгорания продуваются воздухом через канал "п", а в газоотвод 11 подается воздух вентилятором 25, где остатки несгоревшего топлива, в случае их появления, догорают. Двигатель 51 является модулем, при этом отдельные модули с целью увеличения мощности могут соединяться между собой муфтами 23, 24 в кассеты, а при необходимости отключаться, или в нескольких полостях цилиндров 1 модулей прекращается подача топлива, в результате из полостей цилиндров 1 в камеры сгорания нагнетается только воздух. Расчетная мощность модуля двигателя с объемом цилиндра 1 л составляет 200 л.с.
1. Двигатель, содержащий блок цилиндров, гильзы, поршни, коленчатый вал, механизм газораспределения, системы смазки, подачи топлива, зажигания и запуска двигателя, отличающийся тем, что он включает в себя несущий цилиндр, который служит основанием двигателя и выполнен из двух гильз, запрессованных одна в другую, между гильзами выполнены масляные полости, в средней части гильз установлены гнезда под подшипники кривошипа, а снаружи сделаны ребра охлаждения, с торцов гильз выполнены посадочные места для шаровых узлов, поршень выполнен двухстороннего действия, в середине поршня сделана рамка с полозьями, расположенными перпендикулярно оси поршня, на днищах поршня установлены уплотнительные кольца и закреплены выступы, кривошип выполнен разборным и осями установлен на шариковых подшипниках, щеки осей кривошипа соединены шлицевым пальцем, палец с двумя сухарями образует ползун и расположен в рамке поршня, каждый из шаровых узлов, установленных с торцов цилиндра, включает в себя корпус и шаровой золотник, в корпусе закреплены гнезда для цапф шарового золотника, сделаны окно для впуска воздуха или смеси воздуха с топливом в цилиндр, окно для выпуска потока газов, окно, соединяющее корпус с воздуховодом, и сделаны канавки для пористых вставок, установлены свеча зажигания и форсунка, сделан канал для продувки камер сгорания, снаружи выполнены ребра охлаждения, шаровой золотник с закрепленными на нем в гнездах цапфами установлен на шариковых подшипниках в корпусе шарового узла, снаружи золотника сделаны три сферические камеры сгорания, расположенные под углом 120° друг к другу, вокруг камер сгорания в канавках установлены уплотнительные кольца, на одной цапфе каждого золотника установлены шестерни привода, которые находятся в зацеплении с промежуточными шестернями привода, установленными на цапфах, закрепленных на цилиндре, и далее с шестерней привода, установленной на оси кривошипа, турбина со ступицей установлена на оси кривошипа, на диске турбины установлены рабочие лопасти, малая воздушная турбина с фильтром, магнето, противовес для уравновешивания поршневой группы, зубчатый венец для запуска двигателя стартером, с турбиной сопряжен газоотвод, система смазки включает масляные нагнетательный и откачивающий насосы, масляные полости, пористые вставки в шаровых корпусах, которые при подаче к ним смазки становятся влажными и смазывают поверхность шаровых золотников, система зажигания включает магнето, свечи зажигания и генератор, при вращении кривошипа ползун вращается вместе с кривошипом и одновременно перемещается в рамке поршня, что приводит поршень в движение, шаровой золотник с камерами сгорания также вращается, при этом в цилиндре в одной полости происходит всасывание воздуха, а в другой полости воздух сжимается и нагнетается в камеру сгорания, в камеру сгорания со сжатым воздухом через форсунку впрыскивается топливо, происходит его физико-химическая подготовка к сгоранию, подается искра через свечу, смесь воздуха с топливом сгорает, давление газов возрастает до максимального, затем кромкой камеры сгорания открывается окно выпуска газов и поток газов вылетает к лопастям турбины и вращает турбину, камера сгорания очищается от остатков газов воздухом от вентилятора продувки, шаровой золотник с камерами сгорания вращается в три раза медленнее кривошипа, при работе двигателя на дизельном топливе или смеси нефти с бензинами впрыск происходит через форсунку, установленную в воздуховоде возле впускного окна шарового корпуса.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде модуля и может быть соединен с помощью муфт с другими такими же модулями.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что вентилятор продувки также подает воздух в газоотвод в зону выхода газов из турбины для догорания топлива на случай работы двигателя на богатых смесях.
