комбинированный двигатель

Формула изобретения

КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, включающий корпус с рабочим валом и поршневую группу, отличающийся тем, что рабочий вал выполнен цилиндрическим, в корпусе на рабочем валу соосно жестко укреплены два цилиндра разного диаметра с находящимися в них поршнями соответствующих диаметров, с наклонно расположенными кольцевыми пазами на юбках, со свободно размещенными в них подшипниками качения, насаженными на пальцы, жестко закрепленные в корпусе, при этом поршни снабжены устройством от проворачивания на цилиндрическом рабочем валу с возможностью поступательного движения, в днищах поршней выполнены шаровые камеры с реактивными соплами, направленными в сторону, противоположную вращению рабочего вала, и каналы для продувки камер и воспламенения рабочей смеси и подачи в них воды под давлением при высокой температуре, причем оба цилиндра имеют выпускные реактивные сопла, направленные в сторону, противоположную вращению рабочего вала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к транспортным двигателям и может быть использовано на транспорте и на стационарных работах.

Известен двигатель "ЛМАЗ-238 НБ" [1]

Недостатком данного двигателя является наличие коленчатого вала и шатунов, вследствие чего вал расположен под 90^о к цилиндрам, а это создает неудобство компановки, сложную конструкцию картера, громоздкость.

Известен также двигатель, состоящий из поршневой группы, включающей поршень и цилиндр, преобразующего механизма, состоящего из цилиндрического рабочего вала с жестко закрепленным стаканом на конце вала находящегося в картере с кольцевым наклонным пазом на внутренней стороне стакана, жестко закрепленного внутри стакана, пальца, которые преобразуют поступательное движение поршня во вращательное вала. Все эти детали монтируются в картере [2]

К недостаткам этих двигателей относится невозможность постройки агрегатов большой мощности и трудность использования выхлопных газов и реактивной силы газов при продувке, сгорании, выхлопе, для повышения КПД.

Целью изобретения является повышение мощности и КПД двигателя с одновременным обеспечением универсальности работы его, как двигателя внутреннего и внешнего сгорания с использованием различных топлив: жидких, твердых и газа;

создание экономичного, дешевого, легкого, экологически чистого двигателя, основным рабочим телом которого является вода, помещенная в замкнутое пространство;

повышение эксплуатационных характеристик путем использования реактивной силы при продувке, сгорании топливной смеси и во время ее выпуска из цилиндра, использования отработавших газов путем введения в них порций воды через форсунки, преобразующейся в пар, использование парогазовой смеси при выпуске из цилиндра для получения дополнительной работы, получение возможности изготовления многоцилиндровых, сверхмощных двигателей с автономно работающими двигателями-цилиндрами. Использование двигателя-цилиндра, как двухцилиндрового, двухконтурного двигателя с турбиной низкого давления везде, где требуется большая мощность и малые габариты, на легких аппаратах на воздушной подушке, спортивных самолетах, катерах, аэросанях.

В двигателе используются: в первом цилиндре реактивная сила сжатого воздуха при продувке + сила давления газов на поршень + реактивная сила от вырывающихся из шаровых камер сгорания через реактивные сопла в цилиндр газов + реактивная сила отработавших в первом цилиндре газов. Во втором цилиндре используются: выхлопные газы первого цилиндра + пар образующийся в результате испарения воды, подаваемой форсунками в шаровые камеры окисления, + реактивная сила парогазовой смеси, выходящей из шаровых камер через реактивные сопла, + сила давления парогазовой смеси на поршень + реактивная сила при выходе отработавшей парогазовой смеси через выпускные реактивные сопла + давление пара на торец юбки поршня при его движении к головке цилиндра + тепловая энергия отработавшей парогазовой смеси и пара для вращения колеса турбины + ударные волны пораженные пульсациями давления в выпускной системе для создания дополнительного крутящего момента на валу двигателя.

Указанная цель достигается тем, что на одном цилиндрическом рабочем валу закреплены два вращающихся вместе с валом цилиндра с расположенными в них поршнями, вращающимися вместе с цилиндрами и находящимися на одной оси с валом, с шаровыми камерами сгорания и реактивными соплами в первом цилиндре и шаровыми камерами окисления и реактивными соплами во втором цилиндре. Кроме того, на торец юбки поршня второго цилиндра при движении поршня в головке цилиндра давит пар, образующийся в кожухе (ресивере) выхлопной трубы первого цилиндра в результате впрыска порций воды через форсунку в ресивер, подаваемой по паропроводу от ресивера через отверстие в крышке картера и дисковый распределительный золотник, закрепленный на рабочем валу. В обоих цилиндрах имеются по периметру выпускные окна, выполненные в виде реактивных сопел расположенных под углом в сторону, противоположную вращению вала, благодаря чему, отработавшие газы в первом цилиндре и отработавшая парогазовая смесь во втором цилиндре при выходе из цилиндров создают дополнительный крутящий момент при открытии выпускных окон, способствующий как и реактивные сопла в шаровых камерах вращению вала. Во время продувки первого цилиндра воздух, сжатый в подпоршневом пространстве, устремляясь через продувочные окна-сопла, направленные в сторону, противоположную вращению рабочего вала, в полость над поршнем, создают дополнительный крутящий момент на рабочем валу. Отработавшие газы после сгорания смеси в первом цилиндре через выхлопную трубу попадают во второй цилиндр большего объема, где сжимаются поршнем. В момент окончания сжатия в шаровые камеры второго цилиндра впрыскивается через форсунки предварительно подогретая вода, превращающуюся под действием высокой температуры в цилиндре в пар. Парогазовая смесь, расширяясь, заставляет поршень двигаться, а тот в свою очередь вращаться рабочий вал.

Таким образом в двигателе используются: в первом цилиндре реактивная сила сжатого воздуха при продувке + реактивная сила вырывающихся из сопел шаровых камер сгорания газов + сила давления газов на поршень + реактивная сила отработавших газов. Во втором цилиндре используются: выхлопные газы первого цилиндра + пар, образующийся в результате испарения воды, подаваемой форсунками в шаровые камеры сгорания, + реактивная сила пара, выходящего из сопел шаровых камер, + давление парогазовой смеси на поршень + реактивная сила отработавшей парогазовой смеси, выходящей через выпускные реактивные сопла, + давление пара на торец юбки поршня при его движении к головке цилиндра + тепловая энергия отработавшей парогазовой смеси и пара для вращения колеса турбины + ударные волны, пораженные пульсациями давления в выпускной системе.

На фиг.1 изображен двигатель в продольном разрезе; на фиг.2 направление движения газов при рабочем ходе; на фиг.3 направление движения газов при выпуске; на фиг.4 направление движения газов при продувке; на фиг.5 движение газов в шаровой камере при воспламенении; на фиг.6 направление движения газов в первом цилиндре при продувке, вид сбоку.

Двигатель состоит из: поршневой группы, включающей поршни 1 и 2 с наклонно расположенными кольцевыми пазами 3 и 4 на юбках, с отверстиями по оси для цилиндрического рабочего вала 5, пазами 6 для размещения в них шариков фиксации поршней от проворачивания на рабочем валу 5 с возможностью поступательного движения поршней 1 и 2. Поршень 1 со стороны торца юбки имеет осевые каналы 7 для прохождения подогретого воздуха из полости 8 под поршнем в полость цилиндра 9 над поршнем.

В днище поршня 1 имеются шаровые камеры сгорания 10 с реактивными соплами 11, направленными в сторону, противоположную вращению поршня, с отверстиями 12 для продувки и отверстиями 13 впрыска топлива и воспламенения рабочей смеси, кольцевым отражательным козырьком 14 для направления потока подогретого воздуха при продувке цилиндра.

Поршень 2 в днище имеет шаровые камеры окисления 15 с реактивными соплами 16, направленными в сторону, противоположную вращению поршня, отверстие 17 для впрыска воды форсункой в шаровые камеры окисления 15. Цилиндры 18 и 19 жестко закрепленных на рабочем валу 5, имеют выпускные реактивные сопла 20, направленные в сторону, противоположную вращению цилиндров, отверстия 21 в цилиндре 18 для впрыска топлива в шаровые камеры 10 и воспламенения рабочей смеси в шаровых камерах 10. В цилиндре 19 имеются отверстия 22 для впрыска воды в шаровые камеры окисления 15. Преобразующий механизм состоит из цилиндрического рабочего вала 5 с продольно расположенными пазами 23 для размещения в них шариков 24 фиксации поршней 1 и 2 от проворачивания на рабочем валу 5 с возможностью поступательного движения поршней 1, 2.

Подшипники качения 25 закреплены на пальцах 26, установленных в цилиндрическом корпусе 27. Подшипники 25 свободно размещены в наклонных кольцевых пазах 3 и 4 на юбках поршней 1 и 2. На рабочем валу 5 жестко закреплены втулки 28 и 29, зазор между втулками и рабочим валом 5 в районе движения поршней служит для предохранения рабочего вала 5 от перегрева, втулка 28 имеет перепускные окна 30, направленные в сторону, противоположную направлению вращения рабочего вала 5. Со стороны торца юбки поршня 2 на рабочем валу 5 размещен дисковый золотник 31 для впуска свежего пара в полость 32 под поршнем 2 и выпуска отработанного пара в выпускную систему. На конце рабочего вала 5, со стороны цилиндра 19 жестко закреплены рабочие колеса турбины 33 отработанного пара и парогазовой смеси. Рабочий вал 5, покоится на четырех подшипниках качения 34, один из них размещен в торцевой крышке 35, два в торцевой крышке 36, четвертый, центральный расположен в месте разъема корпуса 27 между крышками цилиндров 18 и 19. Все эти детали монтируются в цилиндрическом корпусе 27, состоящем из четырех частей для удобства сборки и разборки двигателя и двух торцевых крышек 35 и 36. В корпусе 27 имеются отверстия 37 для закрепления свечей зажигания и впрыска топлива, кольцевая расточка 38 для выхода в нее отработавших газов из цилиндра 18, сообщающаяся с выхлопным окном 39 для выпуска отработавших газов из цилиндра 18 через расточку 38, отверстия 40 для закрепления пальцев 26, впускное окно 41 для впуска подогретого воздуха, отверстие 42 для установки форсунок подачи воды в цилиндр 19, кольцевая расточка 43 для входа в нее отработавшей парогазовой смеси из цилиндра 19, выпускной канал 44 для выхода отработавшей парогазовой смеси из кольцевой расточки 43, окно 45 для впуска в цилиндр 19 отработавших газов из цилиндра 18 через выхлопную трубу 46 при его продувке.

Выпускная труба 47, оканчивающаяся направляющими соплами, подает отработавшую парогазовую смесь на турбину 33, жестко закрепленную на рабочем валу 5. Со стороны размещения дискового золотника 31 в корпусе имеется отверстие паропровода 48 для подачи пара, образующегося в ресивере 49, при впрыске в него через распылитель 50 предварительно подогретой воды в емкости 49, через которую проходит выпускная труба 46. Канал 50 служит для выпуска отработанного пара из подпоршневого пространства 32 в выпускную трубу 47. Полости 51 над крышками цилиндров 18 и 19 необходимы для прокачки через них охлаждающей жидкости через отверстия 52 в корпусе 27. На выпускной трубе 47 имеется емкость 53 для подогрева воды, подаваемой форсунками в камеры 15. На выпускной трубе 46 имеется кольцевой воздухозаборник 55, через который подается воздух в цилиндр 18, входя в контакт с выпускной трубой он нагревается и по впускному трубопроводу 56 через отверстие 41 всасывается в подпоршневое пространство цилиндра 18.

При перемещении поршней 1 и 2 в верхнее крайнее положение, подшипники 25, закрепленные на пальцах 26, обкатываясь по кольцевым наклонным пазам 3 и 4, заставляют рабочий вал 5, цилиндры 18, 19 и поршни 1 и 2 с помощью шариков фиксации поршней 24 от проворачивания на рабочем валу 5 вращаться. В полости 8 под поршнем 1 создается разряжение.

Создаваемая разность давлений способствует поступлению подогретого воздуха через отверстие 41, в это время открытое. При движении поршней 1 и 2 к полостям 8 и 32 продолжается вращение рабочего вала 5 с цилиндрами 18 и 19 и поршнями 1 и 2, так как подшипники 25 обкатываются по кольцевым наклонным пазам 3 и 4 на юбках поршней 1 и 2.

Поступление подогретого воздуха через отверстия 41 прекращается, он сжимается и по перепускным каналам 7 проходит через перепускные окна 30, направленные в сторону, противоположную вращению рабочего вала 5, и отверстия 12, через шаровые камеры 10, сопла 11, направленные в сторону, противоположную вращению рабочего вала 5, в полость 9 над поршнем 1 цилиндра 18, где испытывает дальнейшее сжатие движущимся к головке цилиндра 18 поршнем 1. С опережением производится впрыск топлива через отверстия 21 из форсунок, находящихся в отверстиях 37. Сжатая рабочая смесь в шаровых камерах сгорания 10 воспламеняется свечами, установленными в отверстиях 37, с опережением через отверстия 13 и 21 в это время совпадающие, расширяясь, вырывается из реактивных сопел 11 шаровых камер сгорания 10, с силой давит на поршень 1 и заставляет его двигаться, вращаясь вместе с цилиндрами 18 и 19 и рабочим валом 5.

При этом подшипники 25, обкатываясь по кольцевым наклонным пазам 3 и 4, также заставляют поршни 1 и 2, двигаясь, вращаться вместе с рабочим валом 5 и цилиндрами 18 и 19. Во время движения поршней 1 и 2 от головок цилиндров 18 и 19 к крышкам 35 и 36 сначала открываются выпускные сопла 20 цилиндров 18 и 19, а затем перепускные окна 30 цилиндра 18.

Отработавшие газы выходят через выпускные реактивные сопла 20 цилиндра 18, направленные в сторону, противоположную вращению рабочего вала 5, создавая дополнительный крутящий момент на рабочем валу 5, в кольцевую расточку 38 на корпусе 27, а оттуда через выпускное окно 39 по выпускной трубе 46 через выпускное окно 45, выпускные реактивные сопла 20 в цилиндр 19, а через перепускные окна 30 под давлением движущегося к крышке 35 поршня 1 сжатый воздух устремляется в рабочий объем над поршнем 1, создавая дополнительный крутящий момент на рабочем валу 5. Отражательный кольцевой козырек 14 на поршне 1 направляет поток сжатого воздуха в верхнюю часть цилиндра 18.

Отработавшие газы выходят через выпускные реактивные сопла 20, создавая дополнительный крутящий момент на рабочем валу 5. Одновременно часть сжатого воздуха через отверстия 12, в это время открытые, попадает в шаровые камеры сгорания 10 и через реактивные сопла 11, направленные в сторону, противоположную вращению рабочего вала 5, производит продувку шаровых камер сгорания 10 через реактивные сопла 11, создавая дополнительный крутящий момент на рабочем валу 5. Цилиндр 19 имеет объем больше, чем объем цилиндра 18, за счет чего отработавшие газы свободно попадают в цилиндр 19, в котором в это время имеется небольшое разряжение, что способствует продувке цилиндра 19.

При перемещении поршня 2 к головке цилиндра 19 отработавшие газы сжимаются движущимся поршнем 2, через реактивные сопла 16, направленные в сторону, противоположную вращению рабочего вала, попадают в шаровые окислительные камеры 15 поршня 2, где испытывают дальнейшее сжатие и повышение температуры движущимся к головке цилиндра 19 поршнем 2, одновременно через дисковый золотник 31 в пространство 32 под поршнем 2 по паропроводу 48 из ресивера 49 подается пар, образующийся в результате испарения распыленной воды, предварительно подогретой в емкости 53, подаваемой в ресивер 49 под давлением через трубопровод 56, что помогает поршню 2 двигаться к головке цилиндра 19.

В сжатые в окислительных камерах при большой температуре отработавшие газы в цилиндре 19 при совпадении отверстий 22 и 17 через форсунки, установленные в отверстиях 42 корпуса 27, в шаровые окислительные камеры 15 через отверстия 17 под давлением подается подогретая в емкости 53 вода, превращающаяся под воздействием высокой температуры и давления отработавших газов в окислительных камерах 15 в парогазовую смесь. Расширясь парогазовая смесь через реактивные сопла 16, направленные в сторону, противоположную вращению рабочего вала 5, с большой скоростью вырываются в пространство над поршнем 2, создавая дополнительный крутящий момент на рабочем валу 5, продолжая расширяться с силой давит на поршень 2 и заставляет его, вращаясь вместе с цилиндром и рабочим валом, двигаться к крышке 36 корпуса 27. Одновременно золотником 31 открывается выпускное отверстие 50 и отработавший пар вытесняется торцем поршня 2 в выпускную трубу 47 и через направляющий аппарат на турбину 33, закрепленную на рабочем валу 5.

Отработавшая в двигателе парогазовая смесь выходит через выпускное окно 54 в глушитель. Давление через кольцевой наклонный паз 4 передается на подшипник 25, закрепленный на пальце 26, установленном в корпусе 27, заставляя подшипник 25, обкатываясь по кольцевому наклонному пазу 4 на юбке поршня 2, одновременно вращать поршень вместе с цилиндрами 19 и 18 и рабочим валом 5. Во время перемещения с одновременным вращением поршня 2 к торцу крышки 36 двигателя сначала открываются выпускные реактивные сопла 20, направленные в сторону противоположную вращению рабочего вала 5, отработавшая парогазовая смесь выходит через выхлопные реактивные сопла 20, создавая дополнительный крутящий момент на рабочем валу 5, в кольцевую расточку 6, затем через выхлопное окно 44 по выпускной трубе 47 попадает на турбину 33 и, отработав, выпускается в глушитель через выпускное окно 54. В это время через выпускное окно 45 в корпусе 27 отработавшие газы из цилиндра 18 устремляются через очиститель в рабочий объем над поршнем цилиндра 19 через выхлопную трубу 46 цилиндра 18 и помогает выходу отработавшей парогазовой смеси из цилиндра 19.

Во время прогрева двигателя, после запуска до достижения рабочей температуры, вода в цилиндр 19 не подается. После прогрева двигателя до рабочей температуры возможно переключение его на питание водой.

В этом случае в цилиндр 19 вместо топлива подается под высоким давление и температурой распыленная вода через форсунки, расположенные рядом с топливными форсунками.

В этом режиме работы отработавшая парогазовая смесь из цилиндра 18 при высокой температуре поступает в цилиндр 19. Рабочий процесс цилиндра 19 не меняется.

При необходимости форсажа двигателя, а также при падении рабочей температуры двигателя, цилиндр 18 переключается на работу от топлива.

Возможна работа двигателя, как двигателя внешнего сгорания. В этом случае в воздухозаборнике 55 двигателя ожигается любое топливо.

Горячая газовая смесь засасывается через очиститель в цилиндр 18, там сжимается, температура ее повышается и при подходе поршня 1 к верхней мертвой точке с опережением подается форсунками под большим давлением и высокой температурой из ресивера 49 вода, подогретая в емкость 53. Превращаясь в пар, вода совершает работу. Затем пар конденсируется и при температуре около 99^оС снова идет в ресивер 49 через фильтр. Для большей равномерности нагрева воды в схему введен масляный контур.

На всех режимах работы двигатель экологически чист.