ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть применено в энергетической отрасли, а также в автомобильной, судостроительной, авиационной и других транспортных отраслях.
Существует класс поршневых двигателей внутреннего сгорания, например а.с. СССР №761771, МКИ F16H 21/18, опубл. 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-лопастной двигатель Вигриянова) - (Интернет, БСЭ, Википедия). В роторных двигателях химическая энергия топлива превращается в механическую путем вращения ротора, соединенного с валом, под действием кинетической энергии газов, образующихся при сгорании топлива.
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 газовая 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, топливная горелка, 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 топливной горелкой, расположенной 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 и сбросе 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 сгорания топлива в непрерывно вращающейся камере сгорания, с которой сочленен полый рабочий вал с закрепленным на вале электрогенератором, при этом крутящий момент для вращения вала осуществляется 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 корпус, воздухозаборный патрубок, вал, кинематически связанный с валом электрогенератор, камеру сгорания, топливную горелку, компрессор, дополнительно снабжен двумя фланцами с внешними подшипниками, прямоугольно изогнутыми соплами, шестерней с внешними зубьями, шестерней с внутренними зубьями, обечайкой с закрепленными на внутренней стороне обечайки трубками с отверстиями и подвижными соплами, причем вал выполнен полым и сочленен с камерой сгорания, шестерня с внешними зубьями жестко закреплена на валу, шестерня с внутренними зубьями входит в зацепление с шестерней с внешними зубьями, обечайка с трубками сочленена с шестерней с внутренними зубьями, внутри вала расположены два фланца в виде крыльчаток с жестко закрепленной в них топливной горелкой, вал, сочлененный с камерой сгорания и электрогенератором, вращается на подшипниках фланцев, воздухозаборный патрубок соединен с корпусом, вход компрессора расположен перед воздухозаборным патрубком, компрессор вращается на подшипнике, закрепленном на топливной горелке, выход компрессора через фланцы в виде крыльчаток соединен с первым входом камеры сгорания, второй вход которой соединен с выходом горелки, камера сгорания выполнена в виде полого сфероида, по внешнему периметру которого расположены отверстия, сочлененные с прямоугольно изогнутыми соплами, каждое из которых расположено напротив отверстия соответствующей трубки, а выходы трубок соединены с подвижными соплами.
Двигатель внутреннего сгорания на фиг.1 содержит следующие элементы. С корпусом 1 соединен воздухозаборный патрубок 2. В корпусе расположен полый вал 3, сочлененный с камерой сгорания 4. В полом валу расположены два фланца 5, выполненных в виде крыльчаток, на внешнем диаметре которых закреплены подшипники 6, на которых вращается вал. Во фланцах закреплена горелка 7, одновременно служащая валом для компрессора 8, который вращается на подшипнике 9. С валом 3, кроме камеры сгорания 4 и электрогенератора 10, сочленена шестерня 11 с внешними зубьями, с которой входит в зацепление шестерня 12 с внутренними зубьями. В свою очередь, шестерня 12 сочленена с обечайкой 13, на внутренней стороне которой закреплены трубки 14 с отверстиями 15. К выходам трубок прикреплены подвижные сопла 16. Камера сгорания выполнена полой в форме сфероида (в частном, случае в форме шара) и по внешнему периметру имеет отверстия 17, сочлененные с соплами 18, изогнутыми под прямым углом. Количество сопел должно быть четным (два, четыре, восемь и т.д.) и располагаться симметрично относительно оси камеры сгорания. Концы сопел 18 находятся напротив отверстий 15 трубок 14 на некотором расстоянии от них.
На фиг.2 изображен разрез А-А камеры сгорания 4 с соплами 18, а также трубками 14, закрепленными на обечайке 13.
Двигатель работает следующим образом.
При первичном пуске двигателя осуществляют запуск компрессора 10 от внешнего источника питания (аккумуляторной батареи, суперконденсатора и т.п.). Вращаясь на подшипнике 9, компрессор 8 затягивает воздух из атмосферы через воздухозаборный патрубок 2 и подает воздух под давлением в камеру сгорания 4 через фланцы-крыльчатки 5, с помощью которых воздух закручивается до вращательного движения. Одновременно с запуском компрессора 8 из системы питания (не показана) посредством топливной горелки 7 в камеру сгорания 4 под давлением подается топливо, которое распыляется горелкой и вращающимся потоком воздуха. Образующаяся топливовоздушная смесь является обедненной, т.к. коэффициент избытка воздуха будет кратным по отношению к минимально необходимому количеству воздуха для окисления топлива.
В начальный момент времени топливовоздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания (не показана), располагающейся на конце топливной горелки 7, 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 4 образуются газы с высокими давлением и температурой. Из камеры сгорания газы под большим давлением через отверстия 17 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),
где P - 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 объем подачи топлива и, соответственно, 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 3, который вращается на подшипниках 6. С валом кинематически связан 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 реактивной тяги зависит в конечном итоге от величины расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания. Чтобы использовать кинетическую энергию струй газов, выходящих из сопел, применяется следующий механизм. Струи газов, вырываясь из сопел, ударяют в трубки 14 через отверстия 15, закрепленные на обечайке 13. Кинетическая энергия газов, ударяющихся в начало трубок 14, создает крутящий момент, противоположно направленный крутящему моменту реактивной тяги сопел. Обечайка 13 сочленена с шестерней 12, имеющей внутренние зубья, которыми она входит в зацепление с внешними зубьями шестерни 11, жестко закрепленной на валу, т.е. усилие от трубок 14, служащих аналогом лопаток турбины, через пару входящих в зацепление шестерен 14 и 15 передается на вращение вала и камеры сгорания 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. Электрогенератор 10, получая вращение от вала, непрерывно вырабатывает электроэнергию, которая распределяется по потребителям, в частности, осуществляется подзарядка аккумулятора или суперконденсатора. Отработавшие газы под некоторым избыточным относительно атмосферного давлением по каналам трубок 14 поступают в подвижные сопла 16 и в зависимости от предназначения двигателя выходят в атмосферу, топку или рекуператор. Подвижные сопла могут быть в виде диффузора или конфузора.
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 (т. об/мин). Роторные двигатели имеют более высокую частоту вращения - до 11 т. 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 т. об/мин до 96 т. 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 по причине использования только кинетической энергии расширяющихся газов делают неэффективным применение газовых турбин на транспорте.
В предлагаемом изобретении обеспечивается более высокая частота вращения (до 120 т. 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 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.).
Кроме того, при определенных условиях можно создать детонационный режим горения топлива, что существенно увеличит эффективность двигателя.
Предлагаемый двигатель может использоваться в различных отраслях народного хозяйства. Например, в энергетической отрасли возможно его применение в качестве автономного источника электроэнергии и тепла (малая энергетика), а в более мощной энергетике в качестве горелок с одновременной выработкой электроэнергии для собственных нужд предприятия, что значительно уменьшит себестоимость электроэнергии и тепла. Кроме того, вращающаяся горелка при положении подвижных сопел в позициях (а) и (б) создает абсолютно однородное температурное поле, что увеличивает эффективность нагрева рабочего тела и срок службы котла. В транспортных отраслях (авиастроении, автомобилестроении, водном) двигатель может использоваться как с непосредственной передачей вращения вала на движущий орган, так и для выработки электроэнергии с передачей ее на электродвигатели, сочлененные с движущими органами, при этом при положении подвижных сопел в позиции (в) создается дополнительный импульс движения за счет вращения выходящих из сопел газов.