Газо-паровой двигатель
Изобретение относится к двигателестроению и может применяться на транспорте и в энергетике. Многоцилиндровый двигатель, имеющий насосные и силовые цилиндры, соединенные между собой передаточной камерой, с поршнями, совершающими синхронное движение и жестко соединенные со штоками, на конце которых расположена перекладина с двумя пальцами и насаженными на них шатунами, вращающимися навстречу друг другу, и двумя синхронизирующими шестернями, при этом к насосному и силовому цилиндру добавляется еще один силовой цилиндр, работающий на пару, который образуется в результате нагрева воды, проходящей через теплообменник, размещенный в передаточной камере и выхлопной полости силового цилиндра. Изобретение обеспечивает повышение КПД двигателя при уменьшении габаритов двигателя. 3 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения и может применяться на транспорте и в энергетике.
Известен многоцилиндровый двигатель, имеющий насосные и силовые цилиндры, соединенные между собой передаточной камерой с поршнями, совершающими синхронное движение (WO 85/02655, F 02 В 33/22, 1985).
Также известен двигатель, имеющий поршень, жестко связанный со штоком, на конце которого расположена перекладина с двумя пальцами и насаженными на них шатунами, вращающимися навстречу друг другу, и двумя синхронизирующими шестернями (БСЭ. т. 24. I. стр.520. Москва. Издательство "Советская энциклопедия". 1976. Стирлинга двигатель).
Первый двигатель имеет возможность увеличить термодинамический (индикаторный) к.п.д. за счет увеличения степени расширения, сделав силовой цилиндр больше насосного в два-три раза.
"Стерлинг" имеет механический к.п.д. выше, чем у двигателей с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) за счет того, что реакция, возникающая при превращении поступательного движения во вращательное, вынесена из поршня в перекладину и уравновешивается при встречном движении двух шатунов. Но оба достоинства достигаются за счет увеличения габаритов двигателя.
Задачей изобретения является повышение КПД двигателя при уменьшении габаритов двигателя.
Поставленная задача решается за счет того, что многоцилиндровый двигатель, имеющий насосные и силовые цилиндры, соединенные между собой передаточной камерой, с поршнями, совершающими синхронное движение и жестко соединенные со штоками, на конце которых расположена перекладина с двумя пальцами и насаженными на них шатунами, вращающимися навстречу друг другу, и двумя синхронизирующими шестернями, при этом к насосному и силовому цилиндрам добавляется еще один силовой цилиндр, работающий на пару, который образуется в результате нагрева воды, проходящей через теплообменник, размещенный в передаточной и выпускной камерах силовых цилиндров.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема двигателя, на фиг.2 показан разрыв коленвала, на фиг.3 - сечение блока цилиндров ⊘80 и ⊘72 с ходом 80 мм и соотношением воды к топливу 5:1.
Для наглядности допущены некоторые отступления от чертежных норм. В корпусе 1 расположены два силовых цилиндра 2, четыре насосных цилиндра 3 и два паровых цилиндра 4. В них совершают возвратно-поступательное движение поршни 5, к которым жестко прикреплены штоки 6. Все штоки прикреплены к перекладине 7, имеющей форму рамы. В раме сидят с возможностью проворачиваться два пальца 8. На пальцы 8 насажены шатуны 9. Шатуны надеты на колена 10 коленвалов 11, сидящих в разъемных держателях 12. На концах валов жестко закреплены синхронизирующие шестерни 13. На корпусе 1 смонтирована головка блока 14, в которой размещены две передаточные камеры 15, каждая из которых соединяет два насосных цилиндра с одним силовым, при этом в них над насосными цилиндрами расположены нагнетательные клапаны 16, а над силовыми - выпускные 17. Кроме того, над парой насосных цилиндров, находящихся в одном ряду, расположена всасывающая камера 18 с всасывающими клапанами 19. Над силовыми цилиндрами расположены выхлопные полости 20 с выхлопными клапанами 21. В полости 20 и передаточной камере 15, где стоят клапаны 17, расположен теплообменник 22, по которому проходит вода из насоса 23 и направляется в камеру сжатия 24 парового цилиндра, которая перекрывается клапаном 25. Над паровым цилиндром расположена выпускная камера 26 с выпускным клапаном 27. Из камеры 26 идет канал 28 к насосу 23 через полость 29. Насос 23 имеет регулировочный винт 30, обводную линию 31, линию подпитки 32, связанную с подпитывающим бачком 33. Для привода в движение насоса на коленвале 11 предусмотрен кулачок 34, а для ручной подкачки имеется рычажок 35.
Между рядами клапанов проходит кулачковый вал 36, к которому прижимаются прямые скобы 37 и обратные 38. Прямая скоба краями упирается в два клапана, а обратная - в два фланца. Одна из шестерен 13 жестко связана с конической шестерней 39, которая находится в зацеплении с конической шестерней 40, а эта шестерня жестко сидит на одном валу с шестерней 41. Паразитная шестерня 42 связывает шестерню 41 с шестерней 43, которая приводит в движение вал 36. Для воспламенения воздушно-топливной смеси в силовых цилиндрах установлены свечи накаливания 44. Маховик может быть установлен на любой из синхронизирующих шестерен 13.
На фиг.2 показан разрыв коленвала. Это означает, что он продолжается в другом восьмицилиндровом блоке, в котором колено 10 развернуто на 180°. При этом синхронизирующих шестерен добавлять не нужно. Блоки можно добавлять (см. фиг.1) слева или справа от синхронизирующих шестерен, зацепляя между собой соседние. В этом случае в дополнительном блоке должны быть свои синхронизирующие шестерни. Можно сочетать оба способа и тогда получится четырехблочный, по восемь цилиндров в каждом, двигатель с одним маховиком. Колена в блоках в этом случае будут смещены относительно друг друга на 90°. Такой двигатель будет иметь габариты 720×600×500 (форма почти куба). По габаритам он больше жигулевского всего в два раза, а рабочая емкость в 10 раз больше (12 литров против 1,2 л) с учетом того, что к.п.д. будет выше примерно вдвое, то мощность предлагаемого двигателя будет в 20 раз больше, чем у жигулевского (≈1200 л.с.)
Работает двигатель следующим образом.
При движении поршней 5 вниз открываются клапаны 17, 19 и 25, а кулачок 34 на валу 11 толкает плунжер насоса 23 вверх. Это вызывает процесс поступления воздушно-топливной смеси во всасывающую камеру 18 из карбюратора (не показан), процесс поступления содержимого передаточной камеры 15 в силовой цилиндр 2 и процесс поступления в камеру сжатия 24 воды из теплообменника 22. При достижении поршнями 5 нижней мертвой точки клапаны 17, 19" и 25 закрываются, а плунжер насоса 23 под действием пружины начинает движение вниз по мере ухода из - под него кулачка 34. Открываются клапаны 21, 16 и 27. Это вызывает процесс сжатия топливно-воздушной смеси в насосных цилиндрах 3 и выталкивание ее в передаточную камеру 15, процесс выталкивания содержимого силового цилиндра 2 через выхлопную полость 20 в атмосферу, процесс выталкивания содержимого парового цилиндра 4 через выпускную камеру 26 в линию 28, откуда оно поступает в полость 29. Свеча накаливания 44 постоянно находится в рабочем состоянии. При следующем движении поршней вниз кулачки повторяют свою команду, и возникают новые процессы.
В силовой цилиндр 2 поступает сжатая воздушно-топливная смесь, вступает в контакт со свечой 44 и воспламеняется. Происходит быстрое сгорание (примерно за 0,002 сек). При этом температура возрастает до нескольких тысяч градусов, а давление примерно на порядок. Вода, проходящая по теплообменнику, отбирает тепло у газов и нагревается сама. Температура газов падает, а температура воды растет, пока не поравняются. При соотношении воды к бензину 5:1, это произойдет примерно при 1000 С°.
Давление воды может подняться до 200-300 ат. Пар через камеру сжатия 24 поступает в паровой цилиндр 4 и давит на поршень. Таким образом, одновременно в силовом цилиндре 2 на поршень давят газы, а в паровом цилиндре 4 - водяной пар. Происходит двойной рабочий ход, создающий крутящий момент на всех шестернях.
Когда поршни снова пойдут вверх, в насосных цилиндрах 3 будет происходить очередной такт сжатия, а в силовом цилиндре 2 - первый такт "выхлопа" рабочих газов, в паровом цилиндре 4 при этом будет происходить процесс выталкивания смеси пара и конденсата в линию 28. Образование конденсата происходит за счет высокой степени расширения (около 50).
При следующем движении поршней вниз повторяется уже нормальный цикл. Таким образом, мы получаем двигатель, который одновременно использует два рабочих тела: продукты горения топлива и водяной пар. С помощью регулировочного винта 30 можно изменять давление пара и количество тепла, забираемого водой, в небольших пределах (20...50%).
Можно часть пара из теплообменника забирать, тогда конструкция будет работать и как двигатель, и как обогреватель.
Можно весь пар пустить на обогрев помещений, тогда получится мини-котельная. При этом можно увеличить мощность насоса, убрать паровой цилиндр и подобрать степень расширения в газовом цилиндре так, чтобы его мощности хватало только на работу компрессора, а все оставшиеся тепло шло на нагрев воды. Если еще в качестве топлива использовать сетевой газ, то коммунальщики получат самый дешевый способ обогрева помещений.
Предложенный двигатель, помимо всего, может дать экономию топлива около 15% за счет того, что может работать на избытке воздуха, поскольку надежность зажигания в нем обеспечивается не высокой степенью сжатия, как у дизеля, а постоянным накалом свечи.
Многоцилиндровый двигатель, имеющий насосные и силовые цилиндры, соединенные между собой передаточной камерой, с поршнями, совершающими синхронное движение и жестко соединенными со штоками, на конце которых расположена перекладина с двумя пальцами и насаженными на них шатунами, вращающимися навстречу друг другу, и двумя синхронизирующими шестернями, отличающийся тем, что к насосному и силовому цилиндрам добавляется еще один силовой цилиндр, работающий на пару, который образуется в результате нагрева воды, проходящей через теплообменник, размещенный в передаточной камере и выхлопной полости силового цилиндра.
