Турбопоршневой двигатель

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Двигатель снабжен направляющим аппаратом, установленным между газовыхлопными клапанами и газовой турбиной, и декомпрессионным устройством, смонтированным в направляющем аппарате. Шатуны поршней снабжены гидрокомпенсаторами, которые установлены на конце каждого из них в картере двигателя. Декомпрессионное устройство при запуске двигателя открывает выхлопные клапаны и двигатель раскручивается стартером при отсутствии компрессии в цилиндрах. Газовая турбина выполнена осевой двухступенчатой и размещена за направляющим аппаратом. Привод управления выхлопными клапанами выполнен в виде цилиндра с профилированной рабочей поверхностью, контактирующей с коромыслами управления выхлопными клапанами. Механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршней выполнен в виде маховика с цилиндрической наружной поверхностью, внутри которой выполнены профилированные направляющие дорожки, кинематически взаимосвязанные с роликами шатунов. Технический результат заключается в увеличении мощности на единицу веса и в повышении надежности в работе. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к турбопоршневым двигателям, и может быть использовано в машиностроении, в автомобилестроении, а также в других отраслях, где используются двигатели внутреннего сгорания.

Известен комбинированный двигатель, описанный в патенте РФ N 2054567, М. Кл. F 02 B 57/00, заявл. 02.12.1991 г., опубл. 20.02.1996 г. Известный двигатель содержит расположенные равномерно по окружности цилиндры с поршнями и штоками, взаимодействующими с кулачками привода штоков поршней, компрессор, расширительную машину, вал отбора мощности. Двигатель также снабжен кулачковым диском привода клапанов, а тракт выхода газов из цилиндров сообщен с выходом компрессора и с входом тракта расширительной машины. При этом на концах штоков поршней закреплены вилки с роликами, которые расположены между концами штоков поршней и кулачками привода штоков, расположенными на диске.

К основным недостаткам известного двигателя следует отнести его конструктивную сложность и как следствие ненадежность в работе, а также невысокий КПД. Причем к снижению КПД приводит использование газовыхлопного тракта значительной длины. Выполнение привода клапанов газовыхлопного тракта в виде диска приводит к влиянию воздействия от его крутящего момента, а наличие зазора между роликами и кулачками в процессе возвратно-поступательного движения поршней приводит к появлению ударных нагрузок и как следствие к повышенному износу в месте контакте деталей: штоки - ролик и кулачки.

Наиболее близким к предлагаемому решению является двухтактный турбодизель и способ его работы, описанный в патенте РФ N 2061183, М. Кл. F 02 B 53/00, заявл. 10.08.1992 г., опубл. 27.05.1996 г.

Известный турбодизель содержит корпус с цилиндрической внутренней полостью, расположенные в корпусе по окружности поршневые цилиндры с камерой сгорания, устройство для продувки и подачи воздуха в цилиндры, привод управления выхлопных клапанов и вал отбора мощности, на котором установлен газотурбинный двигатель. Механизм преобразования движения поршней выполнен в виде кулачкового механизма, а шатуны поршней снабжены роликами, взаимодействующими с криволинейной поверхностью копиров. Устройство для продувки и подачи воздуха в цилиндры выполнено в виде компрессора, а привод управления выхлопных клапанов выполнен в виде кулачкового диска, установленного на валу отбора мощности. К недостаткам прототипа следует отнести: - влияние пульсаций давления выходящих газов на рабочие лопатки, что препятствует получению сплошного потока газа по всей площади проходного сечения лопаток; - значительную длину газовыхлопного тракта; - размещение выхлопных клапанов в потоке выходящих газов приводит к сокращению ресурса его работы; - сложность обеспечения надежного запуска двигателя и его защиты от отсутствия давления в системе смазки; - повышенный износ в месте контакта шток - ролик и кулачки. Сгибающее воздействие диска управления клапанами на штоки клапанов.

К задачам, которые поставил перед собой автор при создании изобретения, относятся повышение надежности работы двигателя за счет устранения ударных нагрузок в процессе возвратно-поступательного движения поршней, а также устранения эффекта пульсаций путем создания сплошного потока газа по всей площади проходного сечения лопаток. Попутно решаемыми задачами являются обеспечение возможности надежного запуска двигателя, а также повышения его КПД.

Поставленные задачи достигаются за счет того, что турбопоршневой двигатель дополнительно снабжен направляющим аппаратом, установленным между газовыхлопными клапанами и турбиной, и декомпрессионным устройством, смонтированным в направляющем аппарате, а шатуны двигателя дополнительно снабжены гидрокомпенсаторами, установленными на конце каждого из них в картере двигателя. Газовая турбина выполнена осевой двухступенчатой и размещена за направляющим аппаратом, являющимся продолжением выхлопного тракта. Привод управления выхлопными клапанами выполнен в виде цилиндра, смонтированного на валу двигателя с возможностью перемещения по вертикали и имеющего профилированную рабочую поверхность, контактирующую с коромыслами управления выхлопными клапанами. Механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршней выполнен в виде маховика, смонтированного на валу двигателя и имеющего цилиндрическую поверхность, на которой выполнены направляющие дорожки, кинематически взаимосвязанные с роликами шатунов.

При этом гидрокомпенсаторы, введенные для устранения зазоров в месте контакта роликов шатуна и дорожек маховика, выполнены в виде поршней со сквозными калиброванными отверстиями. Также полости цилиндров гидрокомпенсаторов соединены с нижним подшипником маховика для гидравлической разгрузки давлением масла.

Причем шатуны по поршневому пальцу смещены к центру двигателя и выполнены профилированными на участке от головки до ролика.

Кроме того, вал рабочего колеса турбины соединен с валом маховика посредством редуктора. А устройство для продувки цилиндров выполнено в виде центробежного вентилятора, установленного на валу.

Предлагаемая конструкция двигателя дает возможность использовать преимущества термодинамических циклов: дизельного при организации процесса сгорания и турбинного - для процесса расширения. Вертикальная компоновка позволит обеспечить в процессе эксплуатации надежную работу систем смазки, охлаждения, суфлирования, наддува.

Введение в конструкцию направляющего аппарата, а также установка его непосредственно за крышкой цилиндров позволит, во-первых, предотвратить "удар" газов, выходящих из цилиндров и, во-вторых, "сформировать" поток газа, придать ему направление. Это позволит повысить надежность двигателя, а также его КПД, сократив газовыхлопной тракт.

Размещение двухступенчатого рабочего колеса турбины непосредственно за направляющим аппаратом позволяет получить при определенных оборотах сплошной поток газа с высокими параметрами температуры и давления по всему периметру проходного сечения рабочих лопаток турбины. Регулируя подачу топлива и число оборотов, порядок работы и число одновременно работающих цилиндров, выбрав оптимальное их количество в блоке по критерию максимального перекрытия площадью выхлопного тракта площади проходного сечения рабочих лопаток турбины, можно значительно уменьшить влияние пульсаций давления выходящих газов на рабочие лопатки турбины.

При достижении максимального совпадения площади проходного сечения газовыхлопного тракта и рабочих лопаток турбины появляется эффект кольцевого потока газов, синхронно вращающегося с турбиной. За счет этого существенно повышается КПД двигателя и предотвращается вибрация рабочих лопаток турбины.

Введение в конструкцию декомпрессионного устройства позволяет осуществлять надежный запуск двигателя, а также обеспечивать его защиту при падении давления в системе смазки ниже установленного.

Конструкция привода механизма преобразования движения шатунно-поршневой группы также способствует повышению надежности двигателя в работе. В частности, выполнение привода в виде маховика, жестко укрепленного на главном валу двигателя и опирающегося верхней и нижней своей частью на подшипники, смонтированные между конструкциями корпуса, позволяет лучше воспринимать и распределять усилия при возвратно-поступательном движении шатунно-поршневой группы. В нижний подшипник маховика при движении поршней вниз подается под давлением масло от гидрокомпенсаторов для разгрузки.

Выполнение на наружной поверхности маховика направляющих дорожек, а на шатунах - соответствующих выступов, позволяет предотвратить проворачивание шатуна и выход роликов из беговых дорожек маховика.

Выполнение привода газораспределительного органа в виде цилиндра, соединенного с главным валом посредством шлицевого соединения, позволяет нагрузку от коромысел передавать на крышку блока цилиндров, и тем самым избежать вредного воздействия вибрации. Наличие коромысел исключает сгибающее воздействие крутящего момента на шатуны клапанов.

Оснащение шатунов цилиндров гидравлическими компенсаторами, в полость которых под давлением постоянно подается масло, приводит к появлению определенного незначительного усилия при перемещении шатуна, что позволяет выбрать зазоры в месте контакта роликов и беговой дорожки. Цилиндр гидрокомпенсатора играет роль направляющей для шатуна.

Установка каждого шатуна со смещением к оси двигателя позволяет компенсировать момент от сил инерции и давления газов, вызванный смещением центра приложения сил из-за наличия роликов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен продольный разрез двигателя; фиг. 2 - показан разрез А-А на фиг. 1; фиг. 3 - выполнен разрез Б-Б на фиг. 2; фиг. 4 - изображен вид В на фиг. 1; фиг. 5 - показан вид Г на фиг. 1; фиг. 6 - изображен вид Д - гидрокомпенсатор шатуна на фиг. 1; фиг. 7 - то же, что на фиг. 8 - вид сверху, фиг 8 - показан вид Е на фиг. 1.

Турбопоршневой двигатель содержит: корпус 1 с картером 2 в нижней части, расположенные в полости корпуса по окружности поршневые цилиндры 3 с камерами сгорания 4, центробежный компрессор 5 для продувки цилиндров через окна 6, причем кна 6 - наружные выпускные расположены так, что открываются поршнями раньше, чем впускные - внутренние; газораспределительный орган 7 в виде цилиндра с приводом от коромысел 8 клапанов 9, направляющий аппарат 10 с переходником 11, смонтированное между газораспределительным органом 7 и газовой турбиной 12, декомпрессионное устройство 13, смонтированное в переходнике 11 направляющего аппарата 10. Газовая турбина 12 выполнена двухступенчатой и размещена непосредственно за направляющим аппаратом 10, являющим продолжением выхлопного тракта, имеет лабиринтные уплотнения 14.

Двигатель содержит также механизм преобразования вращательного движения маховика 15 в возвратно-поступательное движение поршней 16 цилиндров 3, шатуны 17 соединены с поршнями 16 с помощью пальцев 18, которые оснащены гидрокомпенсаторами 19, установленными на конце каждого шатуна 17 в картере 2 двигателя. Гидрокомпенсаторы выполнены в виде поршней 19 (фиг. 6) со сквозными отверстиями. В картере 2 установлен также масляный насос 20. Механизм преобразования движения поршней выполнен в виде маховика 15, смонтированного на главном валу 21 двигателя, и имеет цилиндрическую поверхность, в которой выполнены направляющие дорожки 22 (фиг. 4). Вал 21 двигателя (маховика 15) соединен с валом газовой турбины 12 посредством редуктора 23. Шатуны 17 поршневых цилиндров 3 установлены со смещением к вертикальной оси двигателя по поршневому пальцу 18, а в средней части имеют ролики 24 (фиг. 4), контактирующие с направляющими дорожками 22 маховика 15. Рабочая часть каждого шатуна 17, расположенная в картере 2, проходящая через уплотнительную крышку 25 цилиндра гидрокомпенсаторов, выполнена цилиндрической, а часть от головки шатуна 17 до роликов 24 выполнена профильной, имеет на своей поверхности три выступа под углом 120^o и перемещается в направляющих пазах крышки 26 картера 2 (фиг. 5). Такая конструкция позволяет исключить проворачивание шатуна 17 и выход роликов 24 из направляющих дорожек 22 маховика 15.

На главном валу 21 двигателя над крышкой 26 картера 2 установлен центробежный вентилятор 5 для продувки цилиндров 3. В крышке 27 блока цилиндров установлены также свечи 28 и форсунки 29, а для ее охлаждения водой предусмотрена полость 30.

Управление выхлопными клапанами 9 с пружинами 31 осуществляется цилиндром 7, имеющим профилированную рабочую поверхность, контактирующую с коромыслами 8 клапанов 9. Цилиндр 7 установлен на крышке 27 блока цилиндров, которая воспринимает нагрузку от коромысел 8. Цилиндр 7 привода клапанов 9 посредством шлицевого соединения установлен на главном валу 21 двигателя и нижней частью опирается на подшипник 32. Газовыхлопные каналы 33 (фиг. 2) выполнены в головке блока цилиндров от каждого выхлопного клапана 9 расширяющимися, таким образом, чтобы образовать сплошное кольцо для газовыхлопа шириной, равняющейся длине лопаток направляющего аппарата 10 (заштрихованная часть - фиг. 2) и соединяются с переходником 11, в котором укреплены неподвижные профилированные лопатки направляющего аппарата 10.

В переходнике 11 помимо декомпрессионного устройства 13 смонтирован подшипник 32 пустотелого вала рабочего колеса турбины 12. На переходник 11 установлен корпус 34 спрямляющего аппарата с неподвижными профилированными лопатками, а на него газовыхлопная улитка 35. Вал турбины 12 соединен с валом 36 отбора мощности посредством редуктора 23. Использование редуктора 23 позволяет ограничить число оборотов маховика 15 предельно-допустимой скоростью поршней 16 в цилиндрах 3 двигателя.

Помимо редуктора 23 на корпусе выходного направляющего аппарата 37 смонтированы топливный насос высокого давления 38 и насос водяного охлаждения 39, электростартер 40. В картере 2 установлена труба суфлирования 41. Каналы 42 соединяют полость 43 цилиндров гидрокомпенсаторов с нижним подшипником 32 маховика 15.

Двигатель работает следующим образом.

Включается электростартер 40, который приводит во вращательное движение маховик 15. Маховик 15, взаимодействуя с шатунами 17, приводит в возвратно-поступательное движение поршни 16. В это время усилием пружин 44 (фиг. 7,8) декомпрессионное устройство 13 прижимает коромысла 8 выхлопных клапанов 9 вниз, и выхлопные клапаны всех цилиндров открыты, что из-за отсутствия компрессии в цилиндрах облегчает раскрутку маховика 15. При определенных оборотах раскрутки маховика 15 маслонасос 20 создает установленное давление в масляной системе двигателя и в цилиндрах 45 декомпрессионного устройства 13. Усилие поршней 46 преодолевает усилие пружин 44, и декомпрессионное устройство 13 освобождает от своего воздействия коромысла 8 выхлопных клапанов 9, и выхлопные клапаны управляются цилиндром 7. В это время в соответствующих цилиндрах создается компрессия и от топливного насоса высокого давления 38 к форсункам 29 подается топливо, которое впрыскивается в эти цилиндры при движении поршней 16 вверх. От свечи 28 топливовоздушная смесь воспламеняется, а в дизельном варианте самовоспламеняется и при движении поршней вниз протекает процесс горения и выпуска. Моменты подачи топлива и открытия выхлопных клапанов 8 определяются опытным путем. После открытия выхлопных клапанов 8 продукты сгорания через направляющий аппарат 10 поступают в межлопаточное пространство первой ступени рабочего колеса газовой турбины 12. Далее через спрямляющий аппарат 34 поступают в межлопаточное пространство второй ступени. Газовая турбина приводит во вращение через редуктор 23 маховик 15, а также цилиндр 7. Отработавшие газы, отдав свою энергию, выходят через выходной направляющий аппарат 37 и газовыхлопную улитку 35. После набора определенного числа оборотов газовой турбиной 12 электростартер 40 отключается. Число оборотов двигателя регулируется изменением количества поданного топлива в цилиндры. Подача воздуха в цилиндры осуществляется центробежным компрессором 5 через всасывающие каналы 30, проходящие между цилиндрами в корпусе 1 блока цилиндров. Выпуск газов производится открытием поршнем наружных выпускных окон 6 раньше, чем внутренних - впускных. При дальнейшем движении поршней вниз открываются внутренние впускные окна 6, и осуществляется продувка и нагнетание воздуха центробежным компрессором 5. Во время работы двигателя маслонасос 20 подает масло в систему смазки, а также в полость 43 цилиндра гидрокомпенсатора (фиг. 6), при этом во время движения поршней 16 вниз масло из полости 43 через канал 42 поступает в подшипник 32 нижний маховика 15. При остановке двигателя прекращается подача топлива, число оборотов снижается, уменьшается давление масла в системе, в результате чего срабатывает декомпрессионное устройство 13. При этом открываются выхлопные клапаны 8, двигатель останавливается. Декомпрессионное устройство 13 предотвращает запуск двигателя при отсутствии установленного давления масла в системе. Конструкция двигателя позволяет организовать рабочий процесс при разном количестве одновременно работающих цилиндров. Момент и продолжительность открытия выхлопных клапанов 8 определяется профилем рабочей поверхности цилиндра 7, а скорость движения поршней 16 задается профилем направляющих дорожек 22 и числом оборотов маховика 15.

Формула изобретения

1. Турбопоршневой двигатель, содержащий корпус с картером в нижней части, расположенные в корпусе по окружности поршневые цилиндры с камерами сгорания и общей крышкой цилиндров, устройство для продувки и подачи воздуха в цилиндры, привод управления выхлопными клапанами, расположенную над ним газовую турбину, механизм преобразования движения поршней, шатуны которых снабжены роликами, взаимодействующими с криволинейной поверхностью, отличающийся тем, что двигатель дополнительно снабжен направляющим аппаратом, установленным между газовыхлопными клапанами и турбиной, и декомпрессионным устройством, смонтированным в направляющем аппарате, шатуны двигателя дополнительно снабжены гидрокомпенсаторами, установленными на конце каждого из них в картере двигателя при этом газовая турбина выполнена осевой двухступенчатой и размещена за направляющим аппаратом, являющимся продолжением выхлопного тракта, причем привод управления выхлопными клапанами выполнен в виде цилиндра, смонтированного на валу двигателя с возможностью перемещения по вертикали и имеющего профилированную рабочую поверхность, контактирующую с коромыслами управления выхлопными клапанами, а механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршней выполнен в виде маховика, смонтированного на валу двигателя и имеющего цилиндрическую поверхность, на которой выполнены направляющие дорожки, кинематически взаимосвязанные с роликами шатунов.

2. Турбопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что гидрокомпенсаторы выполнены в виде поршней со сквозными калиброванными отверстиями для устранения зазоров в месте контакта роликов шатуна и дорожек маховика.

3. Турбопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что его шатуны по поршневому пальцу смещены к центру двигателя и выполнены профилированными на участке от головки до роликов.

4. Турбопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что вал рабочего колеса турбины соединен с валом маховика посредством редуктора.

5. Турбопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство для продувки цилиндров выполнено в виде центробежного вентилятора, установленного на валу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8