Двигатель внутреннего сгорания

Авторы патента:


Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания

 


Владельцы патента RU 2597351:

Архипов Николай Фомич (RU)

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть применено в автомобильной, судостроительной и других транспортных отраслях. Двигатель внутреннего сгорания содержит первый корпус, воздухозаборный патрубок, вал, кинематически связанные с валом турбину и электрогенератор, камеру сгорания, инжектор топлива, компрессор, кольцевой рекуператор и выхлопной патрубок. Двигатель дополнительно снабжен вторым корпусом, шестерней с внешними зубьями, шестерней с внутренними зубьями и обечайкой с закрепленными на внутренней стороне обечайки профилированными лопатками. Во втором корпусе расположены камера сгорания, турбина, шестерня с внешними зубьями, шестерня с внутренними зубьями и обечайка с профилированными лопатками. Камера сгорания сочленена с валом, шестерня с внешними зубьями жестко закреплена на ступице камеры сгорания. Обечайка с профилированными лопатками сочленена с шестерней с внутренними зубьями. Камера сгорания выполнена в виде полого сфероида, по периметру которого расположены отверстия, сочлененные с прямоугольно изогнутыми соплами, каждое из которых расположено напротив соответствующей профилированной лопатки. Выходы профилированных лопаток расположены напротив соответствующих лопаток турбины. Воздухозаборный патрубок, расположенный перед электрогенератором, соединен с первым входом рекуператора. Первый выход рекуператора соединен с входом компрессора, выход которого соединен с первым входом камеры сгорания, второй вход которой соединен с инжектором топлива, расположенным соосно с камерой сгорания и валом. Фронтальная стенка второго корпуса, расположенная за турбиной, соединена с вторым входом рекуператора посредством трубок, а второй выход рекуператора соединен с выхлопным патрубком. Изобретение направлено на повышение КПД и снижение расхода топлива при переходных режимах работы двигателя. 2 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть применено в автомобильной, судостроительной и других транспортных отраслях.

Существует класс поршневых двигателей внутреннего сгорания, например, а.с. СССР №761771, МКИ F16Н 21/18, опубликовано 07.09.80, в которых химическая энергия топлива превращается в механическую энергию путем превращения возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Недостатками поршневых двигателей являются громоздкость, сильный шум, небольшой ресурс, необходимость систем охлаждения и смазки, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление топлива, низкий коэффициент полезного действия.

Существует класс роторных двигателей внутреннего сгорания, которые подразделяются на роторно-поршневые (например, роторно-поршневой двигатель Ванкеля) и роторно-лопастные (например, роторно-лопастный двигатель Вигриянова) - Интернет, БСЭ, Википедия. В роторных двигателях химическая энергия топлива превращается в механическую путем вращения ротора, соединенного с валом. Основным недостатком известных модификаций роторно-поршневых двигателей являются небольшой ресурс их работы вследствие быстрого износа рабочих поверхностей, что обусловлено наличием больших центробежных сил, действующих на рабочие органы двигателя. Основным недостатком роторно-лопастных двигателей является сложная система управления лопастями, что приводит к снижению рабочего ресурса вследствие быстрого износа синхронизатора. Общим недостатком роторных двигателей является ненадежная работа уплотнений. В результате роторные двигатели по совокупности недостатков имеют низкие коэффициент полезного действия и надежность.

Известен класс газотурбинных двигателей внутреннего сгорания, в частности микротурбина Castone (Internet), конструкция которой принята за прототип как наиболее близкое техническое решение заявляемому изобретению.

Микротурбина Castone содержит корпус, в котором расположены кольцевая камера сгорания, кольцевой рекуператор, воздухозаборный патрубок, инжектор топлива, выхлопной патрубок и вращающийся в подшипниках неразрезной вал, на котором соосно жестко закреплены последовательно электрогенератор, компрессор и турбина, причем воздухозаборный патрубок расположен перед электрогенератором и соединен с входом компрессора, выход которого соединен с первым входом рекуператора, первый выход рекуператора соединен с первым входом камеры сгорания, второй вход которой соединен с инжектором топлива, расположенным на корпусе перпендикулярно оси корпуса, выход камеры сгорания соединен через турбину со вторым входом рекуператора, а выхлопной патрубок соединен со вторым выходом рекуператора.

Недостатком известного технического решения, выбранного в качестве прототипа, является низкий коэффициент полезного действия (max 38%). Кроме того, общим недостатком газотурбинных двигателей является низкая приемистость (большая инерционность) и повышенный расход топлива в переходных режимах (при приеме нагрузки), что ограничивает их применение на транспорте.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента полезного действия и снижение расхода топлива при переходных режимах работы.

Технический результат достигается за счет непрерывного сгорания топлива в непрерывно вращающейся камере сгорания, с которой сочленен рабочий вал и электрогенератор, при этом крутящий момент реализуется за счет суммирования величины крутящего момента, создаваемого реактивными струями и величины крутящего момента, создаваемого кинетической энергией газов.

Поставленная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания, включающий первый корпус, воздухозаборный патрубок, вал, кинематически связанные с валом турбину и электрогенератор, камеру сгорания, инжектор топлива, компрессор, кольцевой рекуператор и выхлопной патрубок, дополнительно снабжен вторым корпусом, шестерней с внешними зубьями, шестерней с внутренними зубьями и обечайкой с закрепленными на внутренней стороне обечайки профилированными лопатками, причем во втором корпусе расположены камера сгорания, турбина, шестерня с внешними зубьями, шестерня с внутренними зубьями и обечайка с профилированными лопатками, при этом камера сгорания и турбина сочленены с валом, шестерня с внешними зубьями жестко закреплена на ступице камеры сгорания, шестерня с внутренними зубьями входит в зацепление с шестерней с внешними зубьями, обечайка с профилированными лопатками сочленена с шестерней с внутренними зубьями, ступица камеры сгорания и вал вращаются на подшипниках, камера сгорания выполнена в виде полого сфероида, по периметру которого расположены отверстия, сочлененные с прямоугольно изогнутыми соплами, каждое из которых расположено напротив соответствующей профилированной лопатки, выходы профилированных лопаток расположены напротив соответствующих лопаток турбины, воздухозаборный патрубок, расположенный перед электрогенератором, соединен с первым входом рекуператора, первый выход которого соединен с входом компрессора, выход которого соединен с первым входом камеры сгорания, второй вход которой соединен с инжектором топлива, расположенным соосно с камерой сгорания и валом, фронтальная стенка второго корпуса, расположенная за турбиной, соединена с вторым входом рекуператора посредством трубок, а второй выход рекуператора соединен с выхлопным патрубком.

Двигатель на фиг.1 содержит следующие элементы. В первый (внешний) корпус 1 врезаны воздухозаборный патрубок 2 и выхлопной патрубок 3. Кроме того, в первом корпусе 1 и опорном фланце 4, выполненном в виде крыльчатки, закреплен инжектор топлива 5, который входит в ступицу 6 камеры сгорания 7. Камера сгорания выполнена полой в форме сфероида (в частном случае в форме шара) и сочленена с валом 8, на котором закреплены также турбина 9 и электрогенератор 10. Ступица 6 камеры сгорания 7 и вал 8 могут вращаться на подшипниках 11. Кроме подачи топлива, инжектор топлива 5 служит валом для компрессора 12, который вращается на подшипнике 13. На ступице 6 жестко закреплена шестерня 14 с внешними зубьями, с которой входит во внутреннее зацепление шестерня 15 с внутренними зубьями. Шестерня 15 сочленена с обечайкой 16, на внутренней стороне которой закреплены профилированные лопатки 17. Камера сгорания 7 по периметру имеет отверстия, сочлененные с соплами 18, изогнутыми под прямым углом. Количество сопел должно быть четным (два, четыре и т.д.) и располагаться симметрично относительно оси камеры сгорания. Концы сопел 18 находятся напротив начала профилированных лопаток 17 на некотором расстоянии от лопаток. Лопатки 17 выполнены в виде каналов, на начальных участках которых, находящихся напротив сопел 18, вырезаны круглые отверстия. Конечные участки лопаток изогнуты и подведены к лопаткам турбины 9 на некотором расстоянии от лопаток турбины. Количество профилированных лопаток 17 и лопаток турбины 9 соответствует количеству сопел. Камера сгорания 7, шестерня 14 и шестерня 15 с обечайкой 16, а также турбина 9 расположены во втором (внутреннем) корпусе 19. Корпуса 1 и 19 скреплены между собой корпусом кольцевого рекуператора 20. Для устойчивости корпуса 1 и 19 могут дополнительно соединены стойками (на чертеже не показаны). Фронтальная стенка корпуса 19, находящаяся за турбиной, соединена с рекуператором 20 трубками 21, количество и диаметр которых обеспечивают свободный выход газов из камеры сгорания 7 в атмосферу через выхлопной патрубок 3. На фиг.2 изображен разрез А-А камеры сгорания 7 с соплами 18, а также профилированными лопатками 17, закрепленными на обечайке 16.

Двигатель работает следующим образом.

При пуске двигателя осуществляют запуск компрессора 10 от внешнего источника питания (аккумуляторной батареи, суперконденсатора и т.п.). Вращаясь на подшипнике 13, компрессор 10 затягивает воздух из атмосферы через воздухозаборный патрубок 2 и рекуператор 20. Из компрессора 10 воздух под давлением поступает в камеру сгорания 7 через фланец-крыльчатку 4, с помощью которой закручивается до вращательного движения. Одновременно с запуском компрессора 10 из системы питания (на чертеже не показана) через инжектор 5 в камеру сгорания 7 под давлением подается топливо, которое распыляется инжектором и вращающимся потоком воздуха. Образующаяся топливовоздушная смесь является обедненной, т.к. коэффициент избытка воздуха будет кратным по отношению к минимально необходимому для окисления топлива. В начальный момент времени топливовоздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания, располагающейся на конце инжектора топлива 5 (на чертеже не показана), вследствие чего образуется факел и вновь поступающая топливовоздушная смесь самовоспламеняется, поддерживая тем самым устойчивое горение факела. В процессе горения топлива в замкнутом объеме камеры сгорания 7 образуются газы с высокими давлением и температурой. Из камеры сгорания газы под большим давлением поступают в прямоугольно изогнутые сопла 18, истекая из которых и расширяясь, образуют реактивную тягу. Сила реактивной тяги каждого сопла определяется выражением (Интернет, Википедия, воздушно-реактивные двигатели):

P=G*(c-v), (1)

где:

Р - сила тяги;

G - секундный расход массы рабочего тела через сопло;

с - скорость истечения реактивной струи газа из сопла;

v - скорость движения (вращения) камеры сгорания.

Из выражения видно, что сила реактивной тяги тем больше, чем больше скорость истечения газов из сопла и чем больше масса проходящих через сопло газов, т.е. чем больше давление и температура образовавшихся при горении топлива газов. Сопла расположены попарно и симметрично относительно центра камеры сгорания, при этом реактивная тяга попарно расположенных и прямоугольно изогнутых сопел создают крутящий момент (принцип сегнерова колеса), который заставляет вращаться камеру сгорания и сочлененный с ней вал 8, на котором, в свою очередь, жестко закреплены турбина 9 и электрогенератор 10. Величина крутящего момента равна произведению силы реактивной тяги на плечо, которым в данном случае является расстояние от осевой линии сопла до центра камеры сгорания. Таким образом, величина крутящего момента зависит в конечном итоге от величины расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания. Чтобы использовать кинетическую энергию реактивных струй газов, выходящих из сопел, применяется следующий механизм. Реактивная струя газов, вырываясь из сопел, ударяет в профилированные лопатки 17, закрепленные на обечайке 16. Кинетическая энергия газов, ударяясь в начало лопаток 17, создает крутящий момент, противоположно направленный крутящему моменту реактивной тяги сопел. Обечайка 16 сочленена с шестерней 15, имеющей внутренние зубья, которыми она входит в зацепление с внешними зубьями шестерни 14, жестко закрепленной на ступице 6 камеры сгорания 7, т.е. усилие от профилированных лопаток 17 через пару входящих в зацепление шестерен 14 и 15 передается на вращение камеры сгорания и вала в том же направлении, что и усилие на вращение от реактивной тяги сопел. Таким образом, величина крутящего момента, создаваемого кинетической энергией газов, выходящих из сопел, суммируется с величиной крутящего момента, создаваемого реактивной тягой газов. Газы с остаточной кинетической энергией, не полностью использованной при соударении с началом лопаток 17, по каналам направляются на лопатки турбины 9, где полностью отдают свою энергию, создавая дополнительную величину крутящего момента, которая суммируется с основной величиной крутящего момента. Отработавшие газы под некоторым избыточным относительно атмосферного давлением по трубкам 21 поступают в рекуператор 20, где нагревают проходящий через рекуператор атмосферный воздух и выходят в атмосферу. Засасываемый компрессором атмосферный воздух, попадая через патрубок 2 в корпус 1, охлаждает электрогенератор 10 и отработавшие газы в трубках 21 и рекуператоре 20, при этом нагревается до определенной температуры, что позволяет создавать дополнительное давление в камере сгорания. Электрогенератор 10 непрерывно вырабатывает электроэнергию, которая распределяется по потребителям, в частности запитывается компрессор 12 и осуществляется подзарядка аккумулятора или суперконденсатора.

Известно, что определяющими характеристиками любого двигателя являются мощность, удельная мощность и коэффициент полезного действия (КПД).

В свою очередь, мощность двигателя зависит от частоты вращения вала и величины крутящего момента. Поршневые моторы с кривошипно-шатунным механизмом в силу принципиальных конструктивных особенностей не могут развивать обороты выше 7-8 тысяч оборотов в минуту (тыс об/мин). Роторные двигатели имеют более высокую частоту вращения - до 11 тыс об/мин. Для передачи вращения на транспортные средства (колеса, винты, пропеллеры) у поршневых и роторных двигателей необходимы механизмы-посредники - сложные, дорогостоящие и тяжелые редукторы, которые резко снижают эффективность данных типов двигателей. Кроме того, поршневые моторы и роторные двигатели выдают на главный (рабочий) вал прерывистый, пульсирующий крутящий момент, что является их главным недостатком. В итоге комплекс этих недостатков обуславливает невысокий КПД этих типов двигателей - до 33%, и невысокую удельную мощность. В газовой микротурбине Castone есть только одна движущаяся деталь - вращающийся в зависимости от нагрузки со скоростью от 24 тыс об/мин до 96 тыс об/мин рабочий вал, на котором закреплены турбина и электрогенератор. Турбина, сочлененная с валом, вращается под действием кинетической энергии расширяющихся газов, что обеспечивает непрерывную, постоянную скорость вращения и непрерывный, без пульсации, крутящий момент. Такие технические характеристики обеспечивают микротурбинам высокую удельную мощность и КПД до 38% (без когенерации). Кроме того, газовые турбины имеют более высокий срок службы и меньшую материалоемкость. Однако повышенный расход топлива в переходных режимах и низкая приемистость за счет использования только кинетической энергии расширяющихся газов делают неэффективным применение газовых турбин на транспорте.

В предлагаемом изобретении обеспечивается более высокая частота вращения (до 120 тыс об/мин в зависимости от нагрузки) и более высокий крутящий момент за счет одновременного использования потенциальной энергии образовавшихся при горении топлива газов (реактивной тяги) и кинетической энергии этих же газов. Кроме того, более высокий крутящий момент обеспечивается за счет большего по сравнению с турбинами плеча приложения реактивной тяги в зависимости от диаметра камеры сгорания и высоты сопел. За счет мгновенной реакции величины реактивной тяги на изменение расхода топлива в зависимости от величины нагрузки обеспечивается высокая приемистость двигателя и оптимальный расход топлива при любых нагрузках. Таким образом, при сохранении достоинств газовой турбины предлагаемый двигатель имеет более высокую мощность, более высокую приемистость и более высокий КПД - до 50-55%. Топливом для предлагаемого двигателя могут служить различные виды газов и жидкое топливо (бензин, керосин, сжиженный природный газ и т.п.).

Двигатель внутреннего сгорания, включающий первый корпус, воздухозаборный патрубок, вал, кинематически связанные с валом турбину и электрогенератор, камеру сгорания, инжектор топлива, компрессор, кольцевой рекуператор и выхлопной патрубок, отличающийся тем, что двигатель дополнительно снабжен вторым корпусом, шестерней с внешними зубьями, шестерней с внутренними зубьями и обечайкой с закрепленными на внутренней стороне обечайки профилированными лопатками, причем во втором корпусе расположены камера сгорания, турбина, шестерня с внешними зубьями, шестерня с внутренними зубьями и обечайка с профилированными лопатками, при этом камера сгорания сочленена с валом, шестерня с внешними зубьями жестко закреплена на ступице камеры сгорания, шестерня с внутренними зубьями входит в зацепление с шестерней с внешними зубьями, обечайка с профилированными лопатками сочленена с шестерней с внутренними зубьями, ступица камеры сгорания и вал вращаются на подшипниках, камера сгорания выполнена в виде полого сфероида, по периметру которого расположены отверстия, сочлененные с прямоугольно изогнутыми соплами, каждое из которых расположено напротив соответствующей профилированной лопатки, выходы профилированных лопаток расположены напротив соответствующих лопаток турбины, воздухозаборный патрубок, расположенный перед электрогенератором, соединен с первым входом рекуператора, первый выход которого соединен с входом компрессора, выход которого соединен с первым входом камеры сгорания, второй вход которой соединен с инжектором топлива, расположенным соосно с камерой сгорания и валом, фронтальная стенка второго корпуса, расположенная за турбиной, соединена с вторым входом рекуператора посредством трубок, а второй выход рекуператора соединен с выхлопным патрубком.



 

Похожие патенты:

Предложена двигательно-компрессорная установка, в которой двигатель обеспечивает приведение в действие компрессора. Установка содержит общий кожух, двигательный модуль, в котором расположен двигатель и который установлен с возможностью отсоединения в общем кожухе, и компрессорный модуль, в котором расположен компрессор, присоединенный с возможностью отсоединения к двигателю, и который установлен с возможностью отсоединения в общем кожухе.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности, турбодетандерная генераторная установка относится к генераторам электрической энергии с газотурбинным приводом и применяется в области газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа.

Настоящее изобретение относится к ступени аксиального компрессора турбомашины с барабанным ротором. Ступень ротора содержит симметричную стенку (4) при вращении вокруг оси вращения.

Корпус горения содержит тороидальную камеру горения, воспринимающую вызванные горением центробежные силы, возникающие при воспламенении завихрения текучей среды горения по всей указанной тороидальной камере горения; и выпускное отверстие указанной тороидальной камеры горения.

Реактивная турбина содержит вал турбины и сборочные узлы сопел. Сборочные узлы сопел установлены друг за другом в осевом направлении и имеют отверстие для впрыска.

Изобретение относится к радиальному детандеру. Радиальный детандер содержит по меньшей мере одну секцию радиального детандера, расположенную в едином корпусе.

Изобретение относится к способу регулируемой регенерации энергии реакции окисления, при которой образуется газовый поток, каковую реакцию осуществляют в реакторе окисления непрерывного действия, в который подают газообразный окислитель.

Изобретение относится к радиальным турбинам и предназначено для преобразования энергии рабочего тела, в качестве которого могут быть использованы вода или газ, например воздух, в энергию вращения вала агрегата.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пневмодвигателям, работающим от сжатого воздуха, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов, а также в качестве замены двигателей внутреннего сгорания для привода транспортных средств.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, к турбостроению и может быть использовано при проектировании и модернизации паровых турбин. Паровая турбина включает ротор с рабочими лопатками, цилиндр с установленным на нем концевым уплотнением и коллектор подачи пара на уплотнения.
Наверх