ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

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.).