двигатель
Классы МПК: | B63H11/09 с помощью импульсов давления, воздействующих на столб жидкости, например при воспламенении газовой или паровой смеси |
Автор(ы): | Молодцов В.В. |
Патентообладатель(и): | Молодцов Владимир Васильевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-04-28 публикация патента:
10.11.2001 |
Изобретение относится к судовым двигательным установкам, а более конкретно к водометным двигателям - движителям. Двигатель содержит камеру сгорания со свечой зажигания, выхлопным и впускным клапанами, систему подготовки подачи топлива, пневмомагистраль с клапанами, ресивер, газопровод, гидравлическую камеру, расположенную ниже уровня воды с датчиком заполнения водой, гидроклапаном и сопловым агрегатом в виде четырех сопел, снабженных управляемыми створками-дросселями, компрессионную камеру с разделителем и всасывающим клапаном. Пневмомагистраль содержит редуктор давления, а гидравлическая камера сообщается с рубашкой охлаждения камеры сгорания через охладительный трубопровод с вентилем и гидроэлектрогенератором совместно с зарядным устройством и аккумуляторной батареей и с компрессионной камерой через компрессионный трубопровод. Двигатель включает в себя электронно-логический блок управления, получающий информацию от ключа зажигания, датчика заполнения гидравлической камеры водой, датчика давления в ресивере, датчика давления в гидравлической камере, датчика наличия топлива, а также от пульта управления и педали управления карбюратором, задающих режим работы двигателя и преобразующих ее в команду на подачу высокого напряжения на свечу зажигания, команду на включение временной задержки, команды на открытие и закрытие клапанов, а также в программы управления створками-дросселями соплового агрегата, что обеспечивает исполнение заданного режима работы двигателя. Достигаются простота конструкции двигателя, снижение энергетических и финансовых затрат на его производство и эксплуатацию. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
1. Двигатель, содержащий камеру сгорания со свечой зажигания, выхлопным и впускным клапанами, систему подготовки и подачи топлива, пневмомагистраль с клапанами, ресивер и газопровод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гидравлическую камеру, расположенную ниже уровня воды с датчиком заполнения водой, гидроклапаном и сопловым агрегатом, а также компрессионную камеру с разделителем и всасывающим клапаном и электронно-логический блок управления, при этом пневмомагистраль содержит редуктор давления, а гидравлическая камера сообщается с рубашкой охлаждения камеры сгорания через охладительный трубопровод с вентилем и гидроэлектрогенератором и компрессионной камерой через компрессионный трубопровод, а система подготовки и подачи топлива состоит из карбюратора с педалью управления, подсоединенного к компрессионной камере с всасывающим клапаном через обратный клапан ресивера с датчиком давления, клапаном и редуктором давления, а также топливного бака с датчиком наличия топлива, а электронно-логический блок управления имеет электрическое соединение с датчиком давления в ресивере, датчиком наличия топлива, датчиком давления в гидравлической камере, пультом управления, ключом зажигания, соединенным с аккумуляторной батареей и зарядным устройством с гидроэлектрогенератором, а также с педалью управления карбюратором, сопловым агрегатом и гидроклапаном. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что сопловой агрегат выполнен в виде четырех сопел, снабженных управляемыми створками-дросселями.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к судовым двигательным установкам, а более конкретно к водометным двигателям - движителям. Известен водометный двигатель - движитель, состоящий из источника сжатого воздуха, системы подачи сжатого воздуха и рабочей полости в виде трубы с диффузором. См. , например, А.А.Русецкого "Движители судов с динамическими принципами поддержания", изд. "Судостроение", Ленинград, 1979, стр. 199. Анализ работы такого водометного двигателя - движителя показывает, что наряду с потерями, обусловленными вызванными скоростями и вязкостью, существуют специфические потери, связанные с так называемым "скольжением фаз". Эти потери возникают вследствие того, что в проточной части движителя вместо однородной двухфазной смеси образуется "слоеное тесто", в котором скорость воздуха намного превышает скорость воды. Потери возрастают с ростом нагрузки. Анализ модельных испытаний, проведенных на специальных стендах, позволяет утверждать, что собственный КПД движителя на оптимальных режимах не превышает 0,5 - 0,6. Таким образом пропульсивный КПД (комплекса) не превышает 0,3 - 0,4, что существенно ниже чем у других движителей. Разогнать судно только с помощью газоводометного движителя невозможно, т.к. тяга движителя зависит от скорости судна, при V = 0 тяга R = 0. Наиболее близким к заявляемому изобретению является взятый за прототип двигатель, включающий камеры сгорания, частично и периодически заполняемые водой, свечи зажигания, выхлопные и впускные клапаны, систему подготовки и подачи топлива, пневмомагистраль с пневмоклапанами, компрессор с ресивером, пневморукава, входной и выходной патрубки с запорными клапанами, турбину с маховиком и клиноременной передачей. См., например, описание к патенту Российской Федерации N 2042844, опубл. 27.08.95. Хотя КПД таких двигателей высок и может достигать 96-98%, его преимущества теряются от применения совместно с гребным винтом и громоздкой системой рулевого управления на судах, т.к. эти двигатели не способны непосредственно превращать потенциальную энергию сжатых газов (продуктов сгорания горючей смеси) в кинетическую энергию реактивной водяной струи, создающей тягу, требуемую для движения или маневра судна. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание двигателя, позволяющего превращать потенциальную энергию сжатых газов (продуктов сгорания горючей смеси) в кинетическую энергию реактивной водяной струи. Ожидаемый технический результат заключается в создании двигателя-движителя для плавающих средств (судов), обеспечивающего простоту конструкции, минимальные энергетические и финансовые затраты и позволяющего использование реактивной водяной струи для движения и/или маневра судна. Для этого устройство двигателя, включающее камеру сгорания (КС), свечу зажигания, выхлопной и впускной клапаны, систему подготовки и подачи топлива, пневмомагистраль с клапанами, ресивер, газопровод, гидравлическую камеру (ГК), расположенную ниже уровня воды с датчиком заполнения водой, гидроклапаном и сопловым агрегатом в виде четырех створок-дросселей и четырех сопел, компрессионную камеру с разделителем и всасывающим клапаном, при этом пневмомагистраль содержит редуктор давления, а ГК сообщается с рубашкой охлаждения КС через охладительный трубопровод с вентилем и гидроэлектрогенератором совместно с зарядным устройством и аккумуляторной батареей и с компрессионной камерой через компрессионный трубопровод, а также электронно-логический блок управления (ЭЛБУ), получающий информацию от ключа зажигания, датчика заполнения ГК водой, датчика давления в ресивере, датчика давления в гидравлической камере, датчика наличия топлива, а также от пульта управления и педали управления карбюратором, задающих режим работы двигателя и преобразующий ее в команду на подачу высокого напряжения на свечу зажигания, команду на включение временной задержки, команды на открытие и закрытие клапанов, а также в программы управления створками-дросселями и, кроме того, блок ЭЛБУ обеспечивает своевременное включение очередного двигателя последующего каскада. На фиг. 1 представлена принципиальная пневмогидроэлектрическая схема одного двигателя, являющегося компонентом многокаскадного двигателя. На фиг. 2 - вид по стрелке А. На фиг. 3 - диаграмма одиночных импульсов тяги. На фиг. 4 - диаграмма формирования постоянной тяги. Двигатель состоит из (см. фиг. 1) выхлопного клапана 1, свечи зажигания 2, камеры сгорания (КС) 3, впускного клапана 4, датчика заполнения водой 5, газопровода 6, гидроклапана 7, гидравлической камеры (ГК) 8, четырех створок дросселей 9, четырех сопел 10, компрессионной камеры 11, всасывающего клапана 12, обратного клапана 13, ресивера (баллона высокого давления) 14, клапана 15, редуктора давления 16, топливного бака 17, разделителя 18, рубашки охлаждения 19, карбюратора 20, вентиля 21, компрессионного трубопровода 22, охладительного трубопровода 23, датчика давления в ресивере 24, ключа зажигания 25, аккумуляторной батареи 26, электронно-логического блока управления (ЭЛБУ) - управляющей ЭВМ 27, пульта управления 28, зарядного устройства 29, гидроэлектрогенератора 30, педали управления карбюратором 31, датчика наличия топлива 32, датчика давления в гидравлической камере 33, соплового агрегата 34. Основные элементы двигателя это: гидравлическая камера 8, которая предназначена для периодического забора свежей порции забортной воды и последующего выбрасывания ее через сопловой агрегат 34; четыре сопла 10, снабженные управляемыми створками-дросселями 9, которые предназначены для выброса реактивной струи воды в нужном направлении с целью создания необходимой тяги и/или управляющего момента и представляющими собой сопловой агрегат 34 (фиг. 2); камера сгорания 3, предназначена для получения высокого давления газов, получаемых в результате сжигания горючей смеси; газопровод 6 предназначен для непосредственной передачи высокого давления газов на поверхность вытесняемой воды. В газопроводе 6 монтируется датчик заполнения водой 5; компрессионная камера 11 с разделителем 18 (воздух/вода) и с пружинным механизмом, предназначена для предварительного сжатия атмосферного воздуха и перепуска его в ресивер 14; ресивер 14 (баллон высокого давления) предназначен для аккумулирования воздуха под расчетным давлением с целью подачи его в карбюратор 20 для приготовления в нем горючей смеси (вместо карбюратора может быть установлена форсунка); топливный бак 17 предназначен для хранения в нем топлива и подачи его в карбюратор. Действие двигателя складывается из трех взаимосвязанных циклов:- рабочего цикла;
- цикла подготовки горючей смеси;
- цикла подзарядки аккумуляторной батареи. Рабочий цикл включает:
I. Исходное состояние, когда: а/ топливный бак 17 заполнен топливом; б/ в ресивере 14 находится воздух под расчетным давлением; в/ гидравлическая камера 8 заполнена водой; г/ выхлопной клапан 1 и гидроклапан 7 открыты; д/ впускной клапан 4 и все створки-дроссели 9 закрыты. II. Шаги рабочего цикла: а/ включается ключ зажигания 25. Происходит запитка общей электросистемы многокаскадного двигателя; б/ если датчик давления в ресивере 24 подтверждает наличие расчетного давления и датчик заполнения водой 5 подтверждает заполнение водой гидравлической камеры 8, то блок ЭЛБУ 27 подают команду на открытие впускного клапана 4 и клапана 15. Камера сгорания 3 начинает заполняться горючей смесью. Одновременно с командой на открытие впускного клапана 4 блок ЭЛБУ включает встроенную в него временную задержку
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175030/916.gif)
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175030/916.gif)
I. Исходное состояние, когда: а/ Ресивер 14 заполнен воздухом под начальным расчетным давлением Pро; б/ Разделитель 18, притянутый пружинным механизмом, находится в крайнем нижнем положении; в/ Всасывающий клапан 12 открыт; г/ Обратный клапан 13 и клапан 15 закрыты. II. Шаги цикла подготовки горючей смеси включают следующие шаги, соответствующие по индексам шагам рабочего цикла: б/ Одновременно с открытием впускного клапана 4 открывается клапан 15. Сжатый воздух из ресивера через редуктор давления 16 поступает в карбюратор 20 и, смешиваясь с топливом, образует горючую смесь, которая под давлением поступает в КС; д/ Одновременно с командой на зажигание закрываются всасывающий клапан 12 и клапан 15; е/ При резком повышении давления в ГК часть воздуха по компрессионному трубопроводу 22 поступает в компрессионную камеру 11, сжимает находящийся в ней воздух и растягивает пружинный механизм разделителя 18. Разделитель поднимается в крайнее верхнее положение. Обратный клапан 13 открывается и сжатый воздух поступает в ресивер 14, компенсируя потерю давления; з/ С началом падения давления в ГК закрывается обратный клапан 13. При продолжении падения давления в ГК уровень воды в компрессионной камере 11 снижается. В воздушной части камеры начинает создаваться разрежение (давление падает ниже 1 атм.). Открывается всасывающий клапан 12 и свежая порция воздуха засасывается в компрессионную камеру 11. I. По завершении заполнения компрессионной камеры воздухом завершается цикл подготовки горючей смеси и в дальнейшем повторяется описанная последовательность действий. Цикл подзарядки аккумуляторной батареи включает:
I. Исходное состояние: Аккумуляторная батарея 26 полностью заряжена. II. Шаги цикла подзарядки: а/ Одновременно с включением ключа зажигания 25 запитывается вся электросхема (см. фиг. 1 ) и начинается расходование электроэнергии; е/ Как только вода из ГК начинает поступать под рубашку охлаждения 19 камеры сгорания 3, поток этой воды вращает гидроэлектрогенератор 30, устанавливаемый либо до впрыска воды в рубашку охлаждения 19, либо после истечения ее из рубашки охлаждения, т.е. в потоке уже отработанной воды. За период впрыска 1-й порции воды гидроэлектрогенератор 30 вырабатывает такое количество электроэнергии, какое необходимо для полной компенсации ее расходования за время рабочего цикла. I. Полностью подзаряженная аккумуляторная батарея возвращается в исходное состояние и повторяется последовательность действий. Диаграммы одиночных импульсов тяги представлены на фиг. 3. а) Типовая диаграмма реального одиночного импульса тяги Rp(t). Кривая Rp(t) является функциональной зависимостью тяги R от времени t, полученной по результатам реальных измерений тяги отдельного двигателя, полученных на опытном образце при полностью открытой створке-дросселе 9, обеспечивающей поступательную тягу двигателя и полностью закрытых остальных створках-дросселях. Буквенные индексы, используемые на диаграммах, означают:
Rpm - максимальное замеренное значение тяги Rp. tp - максимальное время действия импульса. tcp - полное время рабочего цикла и холостого хода txx (для забора новой порции воды в ГК). txx = tcp-tp - время холостого хода (зависящего от скорости движения судна).
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175620/2175620-2t.gif)
Rpm = 2P
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175013/8226.gif)
где Р - максимальное давление в КС (для дизельных двигателей Р достигает 90 кг/кв.см.);
Fc - выходное сечение сопла при полностью открытой створке-дросселе 9 (для дальнейших оценок примем, что это квадрат со стороной 15 см). В этом случае Rpm = Rao = 40500 кг, т.е. примерно 40 т. б) Расчетная диаграмма импульса тяги для приближенных вычислений Ra(t). Прямая Ra(t) приблизительно аппроксимирует кривую Rp(t) с целью упрощения вычислений. По условиям аппроксимации предполагается, что Rao=Rpm; ta=tp, а крутизна спада Rao/ta равна среднему значению производной dRp/dt на участке спада тяги. При этом предполагается, что величина импульса тяги Jp = Ja = 0,5 Rao
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175013/8226.gif)
Значение Rym может быть вычислено по следующей формуле:
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175620/2175620-3t.gif)
где tk
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175031/8805.gif)
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175620/2175620-4t.gif)
tk=1,5ta, получим Rym = 0.5 Rpm, т.е. Rym = 20 т. Постоянная тяга может быть получена следующим способом (см. фиг. 4): управляемые импульсы тяги последовательно (каскадно) включаемых двигателей накладываются друг на друга таким образом, что при начале спада тяги предыдущего двигателя (в точке t2) включается последующий двигатель. При этом скорость нарастания тяги этого двигателя управляется ЭЛБУ при помощи створки-дросселя 9 таким образом, чтобы сумма тяг предыдущего и последующего двигателя равнялась в точности Rym. Так, к моменту падения тяги предыдущего двигателя до нуля в точке Ry(tk) = 0 нарастающая тяга последующего двигателя достигает своего расчетного значения Rym. Таким образом обеспечивается непрерывность постоянной тяги многокаскадного двигателя. Расчет необходимого числа двигателей (каскадов). а/ Очевидно, что минимальное число двигателей, необходимое для поддержания расчетной тяги Rym на участке от начала спада тяги 1-го двигателя до начала спада тяги 2-го двигателя, совпадающего с началом 2-го цикла тяги 1-го двигателя, равно двум. б/ Максимально потребное число двигателей можно определить из условия, что диаграмма управляемой тяги каждого двигателя будет представлять из себя равнобедренный треугольник с крутизной подъема и спада тяги, равной Ka= Rao/ta. В общем случае максимально потребное число двигателей можно вычислить по следующей формуле:
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175620/2175620-5t.gif)
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175620/2175620-6t.gif)
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175620/2175620-7t.gif)
![двигатель, патент № 2175620](/images/patents/296/2175620/2175620-8t.gif)
Таким образом предложенный двигатель является типовым и является компонентом многоканального двигателя.
Класс B63H11/09 с помощью импульсов давления, воздействующих на столб жидкости, например при воспламенении газовой или паровой смеси