тепловой твердотопливный двигатель (варианты)

Формула изобретения

1. Тепловой твердотопливный двигатель, содержащий источник питания, устройство для управления воспламенением твердого топлива, маховик и корпус, в котором расположены камера сгорания твердого топлива, обратные и регулируемый выпускной клапаны, по крайней мере один цилиндр с поршнем и шатуном, кинематически соединенным с коленчатым валом, связанным с маховиком, отличающийся тем, что корпус снабжен синхродатчиком, установленным с возможностью контактирования с одним из элементов системы цилиндр-поршень-шатун-коленчатый вал, и газовой камерой, расположенной между поршнем и камерой сгорания твердого топлива, представляющий собой многозарядный патрон, выполненный из однозарядных патронов, снабженных электроинициаторами, управляемыми с возможностью подрыва комбинации с помощью устройства для управления воспламенением твердого топлива, при этом последнее соединено электрически с источником питания и синхродатчиком, а на выходе каждого однозарядного патрона установлен обратный клапан, подсоединенный к газовой камере, в которой установлен регулируемый выпускной клапан.

2. Двигатель, содержащий источник питания, устройство для управления воспламенением твердого топлива, маховик и корпус, в котором расположены камера сгорания твердого топлива, обратные и регулируемый выпускной клапаны, по крайней мере один цилиндр с поршнем и шатуном, кинематически соединенным с коленчатым валом, связанным с маховиком, отличающийся тем, что корпус снабжен синхродатчиком, установленным с возможностью контактирования с одним из элементов системы цилиндр-поршень-шатун-коленчатый вал, и газовой камерой, расположенной между поршнем и камерой сгорания твердого топлива, представляющей собой М-многозарядных патронов, каждый из которых снабжен дополнительной газовой камерой, образованной поверхностями корпуса, выполненных из однозарядных патронов, снабженных электроинициаторами, управляемыми с возможностью подрыва их комбинации с помощью устройства для управления воспламенением твердого топлива, при этом последнее соединено электрически с источником питания и синхродатчиком, а на выходе каждого однозарядного патрона установлен обратный клапан, подсоединенный к дополнительной газовой камере, снабженной дополнительным обратным клапаном с выходом в газовую камеру, в которой установлен регулируемый выпускной клапан.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что регулируемый выпускной клапан снабжен штоком, взаимодействующим с кулачком, кинематически связанным с коленчатым валом.

4. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что синхродатчик выполнен с возможностью контакта с поршнем в верхней мертвой точке.

5. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что камера сгорания твердого топлива выполнена с возможностью ее замены.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для приведения в движение различных механизмов и машин.

Известен тепловой двигатель, работающий на твердом топливе и представляющий собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий устройство для подачи твердого топлива в цилиндр и электрическую схему контроля за подачей и воспламенением топлива, патент США N 4147136, МКИ F 02 B 43/08, опубл. 03.12.75 и 03.04.79.

Этот двигатель обеспечивает подачу и воспламенение твердого топлива, которое, сгорая внутри цилиндра двигателя, превращается в газ, который оказывает давление на поршень и обеспечивает движение элементов, входящих в систему цилиндр поршень шатун коленчатый вал, кинематически связанных друг с другом, превращающих часть внутренней энергии продуктов сгорания твердого топлива в механическую энергию.

Данный двигатель имеет сложную конструкцию подачи топлива и не позволяет оперативно, в процессе работы двигателя, изменять мощность и создать форсированный режим его работы.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению, можно считать двигатель внутреннего сгорания, описанный в патенте США N 4240379, МКИ F 02 В 45/08, опубл. 23.12.80.

Двигатель содержит корпус, в котором размещен цилиндр с поршнем и кривошипно-шатунный механизм, соединенный с коленчатым валом, маховик, соединенный с коленчатым валом, камеру сгорания твердого топлива с установленными в ней обратным и регулируемым выпускным клапанами, устройство управления воспламенением твердого топлива и источник питания.

Этот двигатель, как и предыдущий, являясь поршневым твердотопливным двигателем внутреннего сгорания, имеет сложные и громоздкие системы подачи топлива, подготовки горючей смеси, наполнения камеры сгорания и воспламенения твердого топлива, а также не позволяет получить форсированный режим работы и осуществлять регулирование мощности двигателя в широких пределах.

Задача, решаемая изобретением, уменьшение удельной массы двигателя, создание двигателя с возможностью регулирования мощности и задания форсированного режима его работы.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, увеличение мощности двигателя при одновременном уменьшении габаритных размеров, веса двигателя.

Дополнительный технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения расширение диапазона развиваемой двигателем мощности.

Поставленная задача решается тем, что в тепловом твердотопливном двигателе, содержащем источник питания, устройство для управления воспламенением твердого топлива, маховик и корпус, в котором расположены камера сгорания твердого топлива, обратные и регулируемый выпускной клапаны, по крайней мере один цилиндр с поршнем и шатуном, кинематически соединенным с коленчатым валом, связанным с маховиком, согласно изобретению корпус снабжен синхродатчиком, установленным с возможностью контактирования с одним из элементов системы цилиндр поршень шатун коленчатый вал, и газовой камерой, расположенной между поршнем и камерой сгорания твердого топлива, представляющей собой многозарядный патрон, выполненный из однозарядных патронов, снабженных электроинициаторами, управляемыми с возможностью подрыва их комбинации с помощью устройства для управления воспламенением твердого топлива, при этом последнее соединено электрически с источником питания и синхродатчиком, а на выходе каждого однозарядного патрона установлен обратный клапан, подсоединенный к газовой камере, в которой установлен регулируемый выпускной клапан.

Поставленная задача решается также тем, что в тепловом твердотопливном двигателе, содержащем источник питания, устройство для управления воспламенением твердого топлива, маховик и корпус, в котором расположены камера сгорания твердого топлива, обратные и регулируемый выпускной клапаны, по крайней мере один цилиндр с поршнем и шатуном, кинематически соединенным с коленчатым валом, связанным с маховиком, согласно изобретению корпус снабжен синхродатчиком, установленным с возможностью контактирования с одним из элементов системы цилиндр поршень шатун коленчатый вал, и газовой камерой, расположенной между поршнем и камерой сгорания твердого топлива, представляющей собой М многозарядных патронов, каждый из которых снабжен дополнительной газовой камерой, образованной поверхностями корпуса, выполненных из однозарядных патронов, снабженных электроинициаторами, управляемыми с возможностью подрыва их комбинации с помощью устройства для управления воспламенением твердого топлива, при этом последнее соединено электрически с источником питания и синхродатчиком, а на выходе каждого однозарядного патрона установлен обратный клапан, подсоединенный к дополнительной газовой камере, снабженной дополнительным обратным клапаном с выходом в газовую камеру, в которой установлен регулируемый выпускной клапан.

В дополнение к основным техническим решениям по первому и второму вариантам возможны варианты, в которых целесообразно чтобы:

Регулируемый выпускной клапан был снабжен штоком, взаимодействующим с кулачком, кинематически связанным с коленчатым валом.

Синхродатчик был выполнен с возможностью контакта с поршнем в верхней мертвой точке.

Камера сгорания твердого топлива была выполнена с возможностью ее замены.

За счет выполнения в технических решениях камер сгорания твердого топлива описанных выше конструкций, в сочетании с другими существенными признаками, позволяет не только оперативно, в процессе работы двигателя, изменять (уменьшать или увеличивать) мощность, но и расширить диапазон развиваемой двигателем мощности и создать форсированный режим его работы, поскольку с помощью устройства для управления воспламенением твердого топлива возможен программируемый подрыв электроинициаторов и воспламенение твердого топлива как в одном, двух и т.д. однозарядных патронах, так и в одном, двух, и т.д. многозарядных патронах и их различных комбинациях.

Выполнение камер сгорания твердого топлива в виде многозарядного или многозарядных патронов ввиду компактности последних, их малых размеров и веса позволяет, по сравнению с известными конструкциями камер сгорания, снизить удельную массу двигателей и, в конечном итоге, уменьшить габаритные размеры и вес двигателей. Этому также способствует и возможность уменьшить размеры как газовой и дополнительной газовой камер, так и размеры цилиндра вместе с поршнем, при одновременном увеличении мощности двигателя.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенных ниже лучших вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 схематично изображен макет теплового твердотопливного двигателя по первому варианту.

На фиг.2 макет теплового твердотопливного двигателя по второму варианту.

Первый вариант теплового твердотопливного двигателя (фиг.1) содержит источник питания 1, подключенный к устройству для управления воспламенением твердого топлива 2, корпус 4, в котором расположены камера сгорания твердого топлива 5, обратные клапаны 6 и регулируемый выпускной клапан 7, цилиндр 8 с поршнем 9 и шатуном 10, кинематически соединенный с коленчатым валом 11, на котором установлен маховик 3. Корпус 4 снабжен синхродатчиком 12 установленным с возможностью контактирования с одним из элементов системы цилиндр 8

поршень 9 шатун 10 коленчатый вал 11, в частности, как показано на фиг. 1, с поршнем 9 в верхней мертвой точке и газовой камерой 13, расположенной между поршнем 9 и камерой сгорания твердого топлива 5. Последняя представляет собой многозарядный патрон 14, выполненный из однозарядных патронов 15, снабженных электроинициаторами 16, управляемыми с возможностью подрыва их комбинации с помощью устройства для управления воспламенением твердого топлива 2. Устройство для управления воспламенением твердого топлива 2 электрически соединено с источником питания 1 и синхродатчиком 12. На выходе каждого однозарядного патрона 15 установлен обратный клапан 6, подсоединенный к газовой камере 13, в которой установлен регулируемый выпускной клапан 7.

Регулируемый выпускной клапан 7 может быть снабжен штоком 19, взаимодействующим с кулачком 20, кинематически связанным с коленчатым валом 11.

На фиг.1, схематически изображающей конструкцию двигателя, регулируемый выпускной клапан 7 показан условно без детализации кинематической связи, которая может быть выполнена любым известным способом.

Для удобства пояснения работы двигателя на фиг.1 также изображены пружина 21, поджимающая шток 19 и возвращающая его в исходное положение, переключатель режимов работы двигателя 22, который может быть выполнен последовательным на К положений и выключатель 23.

Второй вариант теплового твердотопливного двигателя (фиг.2) содержит источник питания 1, подключенный к устройству для управления воспламенением твердого топлива 2, корпус 4, в котором расположены камера сгорания твердого топлива 5, обратные клапаны 6 и регулируемый выпускной клапан 7, цилиндр 8, с поршнем 9 и шатуном 10, кинематически соединенным с коленчатым валом 11, на котором установлен маховик 3. Корпус 4 снабжен синхродатчиком 12 установленным с возможностью контактирования с одним из элементов системы цилиндр 8

поршень 9 шатун 10 коленчатый вал 11, в частности, как показано на фиг.2, с поршнем 9 в верхней мертвой точке и газовой камерой 13, расположенной между поршнем 9 и камерой сгорания твердого топлива 5. Последняя представляет собой М многозарядных патронов 14, каждый из которых снабжен дополнительной газовой камерой 17, образованной поверхностями корпуса 4, выполненных из однозарядных патронов 15, снабженных электроинициаторами 16, управляемыми с возможностью подрыва их комбинации с помощью устройства для управления воспламенением твердого топлива 2. Устройство для управления воспламенением твердого топлива 2 электрически соединено с источником питания 1 и синхродатчиком 12. На выходе каждого однозарядного патрона 15 установлен обратный клапан 6, подсоединенный к дополнительной газовой камере 17. Дополнительная газовая камера 17 снабжена дополнительным обратным клапаном 18 с выходом в газовую камеру 13, в которой установлен регулируемый выпускной клапан 7.

На фиг.2 также показаны шток 19, взаимодействующий с кулачком 20, пружина 21, переключатель режимов работы двигателя 22, выключатель 23.

Работают тепловые двигатели по первому (фиг.1) и второму (фиг.2) вариантам следующим образом.

В зависимости от условий эксплуатации и требуемой в данный момент времени мощности, с помощью переключателя 22, устанавливают соответствующий режим работы двигателя, т.е. программируют устройство для управления воспламенением твердого топлива 2, которое будет определять количество подрываемых одновременно однозарядных патронов 15 и их различные комбинации.

Затем включают устройство управления воспламенением твердого топлива 2 в рабочий режим, например, замыкая контакты выключателя 23.

Любым известным способом проворачивают коленчатый вал 11 (вручную с помощью ключа, электрически и т.д.). При достижении поршнем 9 верхнем положения (верхней мертвой точки) срабатывает синхродатчик 12, вырабатывающий импульс синхронизации, который, например, может быть установлен в цилиндре 8 как показано на фиг.1 и фиг.2. Полученный с его помощью импульс напряжения поступает в устройство для управления воспламенением твердого топлива 2, которое в соответствии с ранее установленным режимом работы, относительно момента времени прихода синхроимпульса, выдает импульсы напряжения на электроинициаторы 16 тех или иных патронов 15, в результате чего осуществляется воспламенение находящихся в них зарядов твердого топлива.

В результате газы, образующиеся в процессе сгорания твердого топлива, через обратные клапаны 6 поступают из камеры сгорания 5 в газовую камеру 13. Незадействованные обратные клапаны 6 закрыты в это время напором газов со стороны газовой камеры 13.

В двигателе по второму варианту (фиг.2), где камера сгорания 5 представляет собой М многозарядных патронов 14, газы поступают сначала в дополнительные газовые камеры 17, а затем через дополнительные обратные клапаны 18 в газовую камеру 13.

В обоих двигателях энергия сгоревшего твердого топлива переходит в энергию газов высокой температуры и давления, которые направляются из камеры сгорания 5 с помощью обратных клапанов 6, газовой камеры 13 (дополнительной газовой камеры 17 и дополнительных обратных клапанов 18) в цилиндр 8, в котором размещен поршень 9, и оказывают на него воздействие. Поршень 9, перемещаясь вниз, совершает рабочий ход. Движение от поршня 9 передается шатуну 10, а также связанному с ним коленчатому валу 11 и маховику 3. В конце рабочего хода (нижнее положение поршня 9) с помощью, например, подпружиненного пружиной 21 штока 19, соединенного с кулачком 10, связанным в свою очередь с коленчатым валом 11, открывается регулируемый выпускной клапан 7 и отработавшие газы выпускаются из газовой камеры 13. Дальнейшее движение поршня 9 (достижение верхнего положения) осуществляется с помощью вращающегося маховика 3 за счет его кинетической энергии. При достижении поршнем 9 верхнего положения вновь срабатывает синхродатчик 12 и цикл повторяется.

В процессе работы двигателей (фиг.1, фиг.2) путем переключения (вручную или с помощью автоматических систем) переключателя 22 можно оперативно изменять режимы работы двигателей и, таким образом, изменять мощность развиваемую ими и создавать формированный режим работы.

Выключив с помощью выключателя 23 устройство управления воспламенением твердого топлива 2, можно заглушить двигатель и перевести его из активного режима работы в пассивный, когда вращение коленчатого вала 11 двигателя осуществляется за счет кинетической энергии, запасенной в коленчатом валу 11 и маховике 3 двигателя.

Если выполнить устройство управления воспламенением твердого топлива 2 с возможностью автоматического прерывания активной и пассивной фаз работы двигателя, то возможна реализация режима работы двигателя с пониженной мощностью, когда воспламенение твердого топлива в однозарядных патронах 15 осуществляется не от каждого синхроимпульса, а, например, через один или два синхроимпульса на третий и т.д.

При уменьшении размеров как газовой 13, так и дополнительной газовой камер, так и размеров цилиндра 8 с поршнем 9 (их диаметров) давление газов на поршень 9 возрастает и, следовательно, возрастает мощность двигателя. Поэтому для увеличения мощности в двигателях предлагаемых конструкций необходимо уменьшать размеры газовых 13 камер, цилиндра 8 с поршнем 9, что приводит к уменьшению удельной массы двигателя, его размеров и веса. Данное обстоятельство принципиально отличает предлагаемые двигатели от аналогов - твердотопливных двигателей внутреннего сгорания, мощность которых стремится к бесконечности при неограниченном увеличении размеров (объема) камеры сгорания рабочего цилиндра с поршнем, а следовательно, и размеров двигателя.

Очевидно, что прочность конструкции, двигателей должна быть рассчитана на максимальную мощность соответствующую одновременному подрыву нескольких однозарядных патронов 15 или нескольких многозарядных патронов 14.

Используя различные по мощности и свойствам воспламенения заряды твердого топлива в однозарядных 15 и многозарядных 14 патронах, можно путем комбинационного их подрыва переводить двигатель из режима медленного сгорания твердого топлива, например при первоначальном запуске двигателя, находящегося в холодном состоянии, в режим детонации с предельной мощностью, соответствующей форсированному режиму работы и тем самым дополнительно изменять мощность и режимы работы двигателей.

Конструктивные особенности двигателей позволяют осуществлять работу в безвоздушном или сильно разряженном пространстве, поскольку для воспламенения твердого топлива не требуется подача значительных объемов воздуха извне.

Возможность замены камеры сгорания твердого топлива на другую позволяет облегчить эксплуатацию двигателя. В частности во втором варианте двигателя (фиг.2) перезарядка многозарядных патронов 14 может осуществляться в процессе работы двигателя без его остановки.

Предложенные двигатели наиболее успешно могут быть использованы при создании новых комбинационных двигателей, предназначенных для работы в широких диапазонах мощностей, числе оборотов и т.д. Например, возможна комбинация известных двигателей внутреннего сгорания на жидком или газообразном топливе и двигателей по настоящему изобретению, которые могут выполнять функции форс блока в двигателях специальных транспортных средств (в автомобилях гоночно-спортивного назначения, в автомобилях полиции и т.д.), для реализации кратковременных, динамичных маневров и ускорений, а также могут быть использованы для первоначального запуска мощных дизельных двигателей морских или наземных транспортных средств, эксплуатируемых в условиях низких температур и недостаточно заряженном аккумуляторе.

Предложенный двигатель и его вариант могут быть использованы для проведения специфических работ, требующих больших мощностей в космосе или под водой.