ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Заявляемое техническое решение относится к области двигателестроения и может применяться при создании механизмов и машин с вращательным движением отдельных узлов и деталей.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является детонационный двигатель, включающий в себя корпус, топливную систему, подшипниковые узлы и установленный на них ротор, содержащий вал и последовательно соединенные сообщающиеся между собой воздухозаборник, камеру сгорания и сопла [Патент №2032103, F 02 K 9/30. Детонационный двигатель (варианты) - от 28.03.91, опубл. 27.03.95 Бюл. №9].
Однако известный двигатель при своей работе вовлекает в движение окружающий воздух без использования этого воздуха в рабочем процессе, что не позволяет добиться высоких значений коэффициента полезного действия самого двигателя. Возникающие при этом турбулентные потоки в окружающем воздухе создают дополнительный шум.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение коэффициента полезного действия двигателя и снижение уровня шума при работе двигателя.
Указанный технический результат достигается при использовании двигателя внутреннего сгорания, включающего в себя корпус, топливную систему, подшипниковые узлы и установленный на них ротор, содержащий вал и последовательно соединенные сообщающиеся между собой воздухозаборник, камеру сгорания и сопла. В роторе за воздухозаборником, установлен центробежный нагнетатель, рабочая камера которого через камеру сгорания постоянно сообщается с соплами.
Возможны дополнительные варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых целесообразно, чтобы:
- при выходном канале воздухозаборника диаметром D1, как минимум часть сопел установлены по периметру и внутри окружности диаметром D2 с ее центром на оси вращения вала, причем сопла расположены, по крайней мере, между двумя дисками диаметром D3, концентричными с окружностью D2, а геометрические размеры связаны следующими соотношениями: D1<D2<D3.
- выходное отверстие каждого сопла выполнено в форме прямоугольника, а длина наибольшей стороны этого прямоугольника равна расстоянию между дисками диаметром D3.
- выходные отверстия части сопел направлены вдоль оси вращения в сторону, противоположную от воздухозаборника.
- сопло направленное вдоль оси вращения в сторону, противоположную от воздухозаборника выполнено кольцевым.
- входные каналы воздухозаборника оснащены короткими диффузорами и расположены, по крайней мере, между двумя дисками по периметру и внутри окружности диаметром D4, причем диаметр D4 больше диаметра D1 выходного канала воздухозаборника.
- корпус двигателя оснащен глушителем и дополнительной звукоизолирующей камерой, внутри которой помещен ротор.
На фигуре 1 показан продольный разрез двигателя внутреннего сгорания.
На фигуре 2 показан разрез А-А по фигуре 1.
На фигуре 3 показан двигатель внутреннего сгорания с вариантом исполнения воздухозаборника.
На фигуре 4 показан разрез Б-Б по фигуре 4.
На фигуре 5 показан продольный разрез двигателя внутреннего сгорания, оснащенного системой звукоизоляции.
На фигуре 6 показан продольный разрез двигателя внутреннего сгорания с вариантом исполнения камеры сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания включает в себя корпус 1 (на фигуре 1 изображен условно), топливную систему с форсунками 2 и подводящим каналом 3, подшипниковые узлы 4 и установленный на них ротор, содержащий вал 5 и последовательно соединенные сообщающиеся между собой воздухозаборник 6, камеру сгорания 7 и сопла 8.
В роторе за воздухозаборником 6, с его выходным каналом диаметром D1, установлен центробежный нагнетатель 9. Нагнетатель 9 может быть лопастным или дисковым. Рабочая камера - внутренняя полость нагнетателя 9 через камеру сгорания 7 постоянно сообщается с соплами 8. Сопла 8 установлены по периметру и внутри окружности диаметром D2 с ее центром на оси вращения вала 5, причем сопла расположены, по крайней мере, между двумя дисками 10 и 11 диаметром D3, концентричными с окружностью D2. Геометрические размеры деталей ротора связаны следующими соотношениями: D1<D2<D3.
Сопло 12 выполнено кольцевым и направлено вдоль оси вращения в сторону, противоположную от воздухозаборника 6.
Выходное отверстие 13 (фигура 2) каждого сопла 8 может быть выполнено в форме прямоугольника со сторонами «а» и «b». Длина наибольшей стороны этого прямоугольника «b» равна расстоянию между дисками 10 и 11 диаметром D3 (фигура 1).
Возможно исполнение воздухозаборника (фигура 3), когда его входные отверстия 14 расположены, по крайней мере, между двумя дисками 15 и 16 по периметру и внутри окружности диаметром D4. Причем диаметр D4 больше диаметра D1 выходного канала воздухозаборника.
Профилированные перегородки 17 (фигура 4), образуют короткие диффузоры.
Двигатель внутреннего сгорания может быть оснащен глушителем 18 и дополнительной звукоизолирующей камерой 19, внутри которой помещен ротор с соплами 8 (фигура 5). Стенки камеры 19 могут быть покрыты одним или несколькими слоями из звукопоглощающих материалов.
На фигуре 6 изображен вариант двигателя внутреннего сгорания у которого сопло 6 и нагнетатель 9 расположены с одной стороны камеры сгорания 7, которая выполнена в виде кольцевого канала переменного сечения, заканчивающимся соплами 8 и 12. Топливная система содержит форсунки 2 и подводящий канал 3, которые разделены испарительной камерой 20, образованной внутренней стенкой камеры сгорания 21.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. С помощью стартера (электрического или пневматического) начинают вращать ротор. Стартер и элементы системы зажигания не показаны на фигурах. При вращении ротора на воздух, заполняющий рабочую камеру нагнетателя 9, действуют центробежные силы, которые и обеспечивают перекачку воздуха по направлению к камере сгорания 7. Силовое воздействие на перекачиваемый воздух в нагнетателе 9 осуществляется с помощью лопастей или дисков, размещенных внутри самого нагнетателя 9. Через неподвижный подводящий канал 3, оснащенный, например торцевым уплотнением, в центральный канал полого вала 5 подают топливо. Далее топливо подводят через форсунки 2 в камеру сгорания 7. В камере сгорания 7 осуществляют поджигание (с помощью системы зажигания) и последующее горение топливовоздушной смеси. Состоящий из продуктов горения горячий газ, являющийся рабочим телом, направляется в сопла 8. Сопла 8 служат для преобразования тепловой и потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую энергию струй, вытекающих из сопел 8. Реактивная сила, обусловленная истечением
струй, обеспечивает передачу крутящего момента и мощности на ротор. Основную часть мощности через вал 5 передают к подключаемой дополнительной машине, совершающей полезную работу (эта машина на фигурах не показана). Оставшаяся часть мощности расходуется на перекачку и сжатие воздуха центробежным нагнетателем 9. С увеличением скорости вращения ротора повышается давление воздуха и рабочего тела в камере сгорания, что благоприятно сказывается на повышении коэффициента полезного действия двигателя в целом. Для защиты вала 5 и стенок камеры сгорания 7 от перегрева в конструкции ротора предусматривают возможность отвода тепла за счет предварительного нагрева топлива при его течении через вал 5 и полость между валом 5 и камерой сгорания 7. Наружная стенка камеры сгорания 7 охлаждается за счет контакта с окружающим холодным воздухом.
За счет прямоугольной формы выходного отверстия сопла 8. Можно получить плоскую газовую струю способную обтекать криволинейные поверхности без отрыва струи от этой поверхности, за счет эффекта Коанда [Рехтен А.В. Струйная техника: Основы, элементы, схемы: Пер. с нем. - М.: Машиностроение, 1980. - 237 с. - (с.48-53)]. При безотрывном течении плоской струи над криволинейной верхней стенкой сопла 8 (фигура 2) сама струя меняет направление своего течения. Такой поворот струи сопровождается понижением давления над криволинейной верхней стенкой сопла 8, что способствует возникновению дополнительной силы, действующей на верхнюю стенку сопла 8. Действие этой дополнительной силы, в свою очередь, обеспечивает повышение крутящего момента на валу 5 и повышение коэффициента полезного действия двигателя в целом. Заложенные в конструкцию двигателя принципы работы выполняются, если геометрические размеры деталей ротора связаны следующими соотношениями: D1<D2<D3.
Вариант исполнения воздухозаборника изображенного на фигурах 3 и 4 позволяет повысить давление воздуха на входе в центробежный нагнетатель 9. После прохождения воздуха через входной канал 14, давление воздуха повышается в коротком диффузоре образованном перегородками 17, согласно известным законам газовой динамики. Далее воздух движется к центру ротора и попадает на вход центробежного нагнетателя 9, при этом движении на воздух не оказывается силовое воздействие внутри воздухозаборника, повышенное давление воздуха остается постоянным во всех точках внутри воздухозаборника.
Ротор, представляющий собой тело вращения, из-за своей формы не оказывает силового воздействия на окружающий воздух. В этой связи, исключаются потери энергии и исчезают причины, провоцирующие возникновение шума. В зазоре между дисками 10 и 11, как и в радиальном плоском безлопаточном диффузоре, может быть обеспечено дополнительное снижение скорости газового потока, что в свою очередь снижает шум и потери энергии.
В варианте исполнения двигателя изображенного на фигуре 5 выхлопные газы выходят в атмосферу через глушитель 18 и дополнительная звукоизолирующая камера 19, обеспечивают снижения шума. В этом случае дополнительно решают и вопрос охлаждения наружной стенки камеры сгорания 7, используя известные методы.
За счет соответствующего подбора продольных и поперечных размеров камеры сгорания, воздухозаборника и сопла в заявляемом двигателе внутреннего сгорания можно реализовать различные режимы горения топливо-воздушной смеси: режим горения при постоянном давлении как в известных газотурбинных установках или режим горения при переменном давлении как в известных пульсирующих воздушно-реактивных двигателях.