RU2168042C2

RU2168042C2 - Combination internal combustion engine

Info

Publication number: RU2168042C2
Application number: RU99110220A
Authority: RU
Original assignee: Давыдов Дмитрий Аркадьевич
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: combination internal combustion engine with combustion of fuel in constant volume has compressors installed on common shaft with drive turbine, free thrust turbine installed on output shaft, combustion chambers, unit forming fuel delivery to combustion chamber nozzles, and cyclic-action compressors. Outlet valve of combustion chamber driving turbine compressors is made throttle-like. Diffusers and common diverging nozzles are used to improved efficiency of gas flow from combustion chamber nozzle. Outlet valves of combustion chambers of free thrush turbine are of decompression type. EFFECT: enhanced reliability of operation. 5 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к машиностроению, т.е. к двигателестроению. Предназначено для использования на автомобилях.FIELD OF THE INVENTION
The invention relates to mechanical engineering, i.e. to engine building. Designed for use on cars.

Уровень техники
В качестве аналога принята газотурбинная установка со сгоранием топлива при постоянном объеме /DE, патент 1273263, F 02 C 5/12, 1968 г./, являющаяся двухвальной, один из валов является тяговым. Валы приводятся от насаженных на них турбин. Компрессорная турбина, которая во время работы вращается с постоянной частотой, что является особенностью, приводит компрессор. С компрессорного вала через безступенчатый фрикционный редуктор приводятся два распределительных диска с пазами. Диски расположены с передней и задней стороны камер сгорания и служат для открытия и закрытия последних, что нужно для обеспечения сгорания при постоянном объеме камеры. Из камеры сгорания газы попадают в смеситель, через нее на сопло, на турбины. В смесителе газы смешиваются с воздухом, идущим от компрессора. Во время работы установки с помощью редуктора меняется частота происходящих в камере сгорания циклов сгорания, что осуществляется через изменение частоты вращения дисков. Недостатком установки является невозможность перекрытия /т.е. прекращение/ передачи вращения на тяговый вал во время работы, температурные условия работы турбин, сложность, нетехнологичность, ненадежность, низкая экономичность и тяжелые условия работы катализатора отработавших газов /при установке последних на двигателе/.State of the art
As an analogue, a gas turbine installation with fuel combustion at a constant volume was adopted (DE Patent 1273263, F 02 C 5/12, 1968), which is a two-shaft, one of the shafts is traction. The shafts are driven by turbines mounted on them. A compressor turbine that rotates at a constant frequency during operation, which is a feature, drives the compressor. Two distribution discs with grooves are driven from the compressor shaft through a stepless friction reducer. Disks are located on the front and rear sides of the combustion chambers and serve to open and close the latter, which is necessary to ensure combustion with a constant volume of the chamber. From the combustion chamber, the gases enter the mixer, through it to the nozzle, to the turbines. In the mixer, the gases are mixed with air coming from the compressor. During operation of the installation using a gearbox, the frequency of the combustion cycles occurring in the combustion chamber is changed, which is carried out through a change in the speed of the disks. The disadvantage of the installation is the impossibility of overlapping / i.e. termination / transmission of rotation to the traction shaft during operation, temperature conditions of operation of the turbines, complexity, low technology, unreliability, low efficiency and difficult operating conditions of the exhaust gas catalyst / when installing the latter on the engine /.

Сущность изобретения
Технической задачей является отказ от сцепной муфты на тяговом валу, повышение эффективности сгорания в камере и обеспечение стехиометричности сгорания /для уменьшения вредности выхлопа на режимах работы двигателя/, изменение управления работой двигателя, повышение надежности и ресурса деталей работающих под трением и высокой температурой, а также повышение эффективного КПД двигателя и улучшение условий работы катализатора отработавших газов. Задачи решаются следующим образом. Газы из камеры сгорания на турбины подаются через расширяющиеся сопла /сопло Лаваля/. В сопле газы приобретают определенную скорость, а также расширяются. Температура газов к концу расширения падает, что создает необходимые условия работы турбин. При движении автомобиля для создания эффекта, который в конечном виде выражается в повышении эффективного КПД двигателя, применяется устройство забора набегающего потока воздуха /т. е. диффузор/ и общее расширяющееся сопло. При движении автомобиля двигатель работает как прямоточный. Повышение эффективности сгорания в камере осуществляется применением впускного и выпускного клапанов /для сгорания без утечек газов/. Причем в камерах сгорает горючая смесь стехиометрического состава, т.е. смесь с определенным и постоянным коэффициентом избытка воздуха. Для уменьшения вредности выхлопа газы пропускаются через катализатор, что необходимо для повышения экологичности. При смешении газов с набегающим потоком воздуха температура газов понижается дополнительно, что обеспечивает улучшение условий работы катализатора. Для увеличения ресурса уплотнителя /в компрессорах/ он выполняется самосмазывающимся, т.е. в уплотнитель заложена смазка. Управление изменения выходной мощности осуществляется через изменение частоты вращения вала компрессора. Для этого истечение газов из камеры сгорания, предназначенной для привода турбины /т.е. его вращения/, установленной на вал компрессора, регулируется через дроссель-клапан /изменением величины ее хода во время работы/. Для прекращения крутящего момента на выходном валу предусматривается прекращение подачи топлива в основные камеры сгорания и одновременная декомпрессия в камерах через выпускные клапаны. Последнее также способствует облегчению запуска, повышению экономичности и экологичности в определенных режимах работы двигателя. Для облегчения запуска также возможна подача дополнительного горючего в камеру сгорания приводящей компрессоры секции, что особенно необходимо при работе двигателя на цикле со сгоранием в камере при применении свечи. Газы, истекающие из камер сгорания, смешиваются с воздухом, идущим по воздуховоду /диффузору/ и расширяются в общих соплах.SUMMARY OF THE INVENTION
The technical problem is the rejection of the coupling on the traction shaft, increasing the efficiency of combustion in the chamber and ensuring stoichiometry of combustion / to reduce the harmfulness of exhaust during engine operation /, changing the control of engine operation, increasing the reliability and service life of parts working under friction and high temperature, as well as increasing the effective engine efficiency and improving the working conditions of the exhaust gas catalyst. The tasks are solved as follows. Gases from the combustion chamber to the turbines are fed through expanding nozzles / Laval nozzle /. In the nozzle, the gases acquire a certain speed, and also expand. The temperature of the gases drops towards the end of expansion, which creates the necessary conditions for the operation of the turbines. When the car is moving, to create an effect, which in the final form is expressed in increasing the effective efficiency of the engine, a free air intake device / t is used. e. diffuser / and a common expanding nozzle. When the car is moving, the engine works as a once-through. Improving the efficiency of combustion in the chamber is carried out by the use of inlet and exhaust valves / for combustion without gas leaks /. Moreover, a combustible mixture of stoichiometric composition burns in the chambers, i.e. a mixture with a defined and constant coefficient of excess air. To reduce the harmfulness of the exhaust gases are passed through the catalyst, which is necessary to improve environmental friendliness. When gases are mixed with the oncoming air stream, the temperature of the gases decreases further, which improves the working conditions of the catalyst. To increase the life of the sealant / in compressors / it is self-lubricating, i.e. grease is in the seal. Control of changes in output power is carried out through a change in the frequency of rotation of the compressor shaft. For this, the outflow of gases from the combustion chamber, designed to drive the turbine / i.e. its rotation / mounted on the compressor shaft is regulated through the throttle valve / by changing the magnitude of its stroke during operation /. To stop the torque on the output shaft, it is planned to cut off the fuel supply to the main combustion chambers and simultaneously decompression in the chambers through the exhaust valves. The latter also helps to facilitate startup, increase efficiency and environmental friendliness in certain engine operating modes. To facilitate starting, it is also possible to supply additional fuel to the combustion chamber of the compressor-leading section, which is especially necessary when the engine is running on a cycle with combustion in the chamber when using a candle. Gases flowing from the combustion chambers are mixed with air flowing through the duct / diffuser / and expand in common nozzles.

Перечень чертежей и иных материалов
Графические материалы представлены на пяти чертежах.List of drawings and other materials
Graphic materials are presented in five drawings.

На фиг. 1 дан вид при рассмотрении сбоку. Позволяет определить взаимное расположение компрессоров, камер сгорания, турбины привода компрессоров с соответствующими соплами, тяговой турбины с выходным валом, блока формирования топливоподачи. In FIG. 1 is a side view. It allows you to determine the relative position of compressors, combustion chambers, compressor drive turbines with corresponding nozzles, a traction turbine with an output shaft, and a fuel supply forming unit.

На фиг. 2 представлено взаимное расположение тяговой турбины, сопла подачи газов на нее, общего сопла, выпускного клапана с приводом, камеры сгорания и компрессора подачи воздуха в камеру сгорания. In FIG. 2 shows the relative position of the traction turbine, the gas supply nozzle to it, the common nozzle, the exhaust valve with a drive, the combustion chamber and the compressor for supplying air to the combustion chamber.

На фиг. 3 представлено взаимное расположение турбины привода компрессоров, сопла для подачи газов из камеры сгорания с выпускным управляющим дроссель-клапаном, привода дроссель-клапана. In FIG. 3 shows the relative position of the compressor drive turbine, the nozzle for supplying gases from the combustion chamber with the exhaust control throttle valve, the throttle valve actuator.

На фиг. 4 представлен вариант исполнения впускного клапана компрессоров и привод этого клапана. In FIG. 4 shows an embodiment of the compressor inlet valve and the actuator of this valve.

На фиг. 5 представлен кулачок привода дроссель-клапана. In FIG. 5 shows a throttle valve actuator cam.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения:
А. Описание в статическом состоянии:
Установка включает следующие основные функционирующие части: основные компрессоры 25, компрессор 1, турбину 2 привода компрессоров, вал 3 компрессоров, сопло 4, дроссель-клапан 10, камеру сгорания 37, форсунку 11, воздуховод 5, заслонку 9, блок формирования топливоподачи 18, камеры сгорания 23 с клапанами, тяговую турбину 29 с выходным валом 22, воздуховод 8 с заслонкой 13. Компрессоры 25 и 1 представляют роторы 26, эксцентрично расположенные на валу 3. Расположены в корпусе 27 и имеют впускной патрубок 24, уплотняющую лопатку 36. Компрессор 1 ведущей секции связывается через клапан 12 с камерой сгорания 37, а компрессор 25 связывается через клапан 35 с основными камерами сгорания 23. В камерах сгорания 23 и 37 устанавливаются форсунки 15 и 11. В основных камерах сгорания 23 устанавливаются выпускные клапаны 34. Камеры сгорания 23 связаны с расширяющимися соплами 49 тяговой турбины 29. Турбина 29 установлена на выходном валу 22 и расположена в корпусе 21, имеющем выпускной патрубок 28. Камера сгорания 37 ведущей секции связана с расширяющимся соплом 4 и предназначена для подачи газов на турбину 2 для привода компрессоров 1 и 25. Турбина 2 установлена на вал 3, расположена в корпусе 41, имеющем выпускной патрубок 42. В камере сгорания 37 устанавливается дроссель-клапан 10. Дроссель-клапан 10 приводится кулачком 38 через рычаг 39 и имеет направляющую 40. Выпускные клапаны 34 приводятся кулачком 32 через рычаг 31 и имеют направляющую 33.Information confirming the possibility of carrying out the invention:
A. Description in a static state:
The installation includes the following main functioning parts: main compressors 25, compressor 1, compressor drive turbine 2, compressor shaft 3, nozzle 4, throttle valve 10, combustion chamber 37, nozzle 11, air duct 5, damper 9, fuel supply forming unit 18, chambers combustion 23 with valves, a traction turbine 29 with an output shaft 22, an air duct 8 with a shutter 13. Compressors 25 and 1 represent rotors 26, eccentrically located on the shaft 3. They are located in the housing 27 and have an inlet pipe 24, a sealing blade 36. The compressor 1 leading communication sections through the valve 12 with the combustion chamber 37, and the compressor 25 communicates through the valve 35 with the main combustion chambers 23. In the combustion chambers 23 and 37, nozzles 15 and 11 are installed. In the main combustion chambers 23 exhaust valves 34 are installed. The combustion chambers 23 are associated with expanding nozzles 49 of the traction turbine 29. The turbine 29 is mounted on the output shaft 22 and is located in the housing 21 having an outlet pipe 28. The combustion chamber 37 of the leading section is connected to the expanding nozzle 4 and is designed to supply gases to the turbine 2 for driving the compressor ovs 1 and 25. The turbine 2 is mounted on the shaft 3, located in the housing 41 having an exhaust pipe 42. A throttle valve 10 is installed in the combustion chamber 37. The throttle valve 10 is driven by the cam 38 through the lever 39 and has a guide 40. The exhaust valves 34 driven by a cam 32 through a lever 31 and have a guide 33.

Впускные клапаны 12 и 35 камер сгорания 37 и 23 конструктивно схожи. Имеют тягу 45, направляющий цилиндр 47 с уплотнителем 46. Цилиндр 47 через перемычку 48 связан непосредственно с клапаном /на фиг. 4 - это клапан 43/. The intake valves 12 and 35 of the combustion chambers 37 and 23 are structurally similar. They have a rod 45, a guide cylinder 47 with a seal 46. The cylinder 47 is connected directly to the valve via a jumper 48 / in FIG. 4 is valve 43 /.

Кулачок 38 выполнен сложным по профилю и переменным по высоте /относительно его оси перемещения во время работы/. Кулачок 38 для регулирования /т.е. изменения/ частоты вращения компрессоров имеет возможность перемещения по оси вала приводящего этот кулачок. Впускные клапаны приводятся через кулачки 44. Вращение кулачков 38, 32, 44 осуществляется от вала 3 компрессоров. Блок 18 формирования топливоподачи может представлять механический топливный насос циклической подачи топлива и его работа синхронизирована с вращением вала 3. В блоке формирования топливоподачи возможно разделение управления топливоподачей в камеры сгорания 37 и 23. Уплотняющие лопатки 36 представляют лопатки, в которых предусмотрена возможность самосмазывания, т. е. в отверстия, просверленные в них, заложена твердая смазка. Роторы 26 и лопатки 36 делят рабочую полость компрессоров на две части. Расширяющиеся сопла 4 и 49 представляют сопло Лаваля. В топливном насосе 18 возможно разделение управления топливоподачей, т.е. управление топливоподачей секцией 17 сблокированное, а секцией 16 - отдельное, что особенно важно при работе двигателя на тяжелых топливах, т.к. возможно дополнительное улучшение экологичности. При работе на бензине топливный насос можно выполнить с использованием элементов электрических устройств, а также предусматривается система зажигания. Для более приемлемых условий работы двигателя работа секций компрессора 25 происходит в противофазе, т.е. максимально удаленные точки роторов расположены со сдвигом. Газы, выходящие из сопел 4 и 49, смешиваются с воздухом, идущим через диффузоры 14 и 5. После смешивания для дополнительного повышения скорости их истечения предусмотрены сопла 30 и 50. В воздуховодах установлены заслонки 13 и 9. Cam 38 is made complex in profile and variable in height / relative to its axis of movement during operation /. Cam 38 for regulation / i.e. changes / rotational speeds of the compressors has the ability to move along the axis of the shaft leading this cam. The inlet valves are driven through the cams 44. The rotation of the cams 38, 32, 44 is carried out from the shaft 3 of the compressors. The fuel supply forming unit 18 may be a mechanical fuel pump for cyclic fuel supply and its operation is synchronized with the rotation of the shaft 3. In the fuel supply forming unit, it is possible to separate the fuel supply control to the combustion chambers 37 and 23. The sealing blades 36 represent the blades in which self-lubrication is provided, t. e. solid lubrication is embedded in the holes drilled in them. Rotors 26 and blades 36 divide the working cavity of the compressors into two parts. The expanding nozzles 4 and 49 represent the Laval nozzle. In the fuel pump 18, separation of the fuel control is possible, i.e. fuel supply control by section 17 is blocked, and section 16 is separate, which is especially important when the engine is running on heavy fuels, because Perhaps an additional improvement in environmental friendliness. When working on gasoline, a fuel pump can be performed using elements of electrical devices, and an ignition system is also provided. For more acceptable engine operating conditions, the compressor sections 25 work in antiphase, i.e. the most distant rotor points are shifted. The gases leaving the nozzles 4 and 49 are mixed with the air flowing through the diffusers 14 and 5. After mixing, nozzles 30 and 50 are provided to further increase their outflow speed. Valves 13 and 9 are installed in the air ducts.

Б. Описание работы устройства:
Работа двигателя при движении транспортного средства происходит следующим образом. С выходного вала 22 снимается максимальная мощность. В компрессоры 1 и 25 через патрубки 24 поступает воздух. Одновременно воздух сжимается роторами 26 в полости сжатия. Сжимаемый воздух подается через открытые клапаны 35 и 12 в камеры сгорания 23 и 37. При этом допустимо, чтобы в определенный момент поступления воздуха в камеры сгорания 23 и 37 оказались открытыми также и выпускной дроссель-клапан 10, а также клапаны 34. Это необходимо для продувки камер сгорания. Далее выпускной дроссель-клапан 10 и клапан 34 закрываются. Компрессоры продолжают сжатие воздуха, давление и температура которого повышаются. При достижении максимально /от центра вращения/ удаленной точки роторов верхнего положения сжатие и нагнетание воздуха в камеры сгорания 23 и 37 заканчивается. Заканчивается впуск воздуха в компрессоры, а также происходит закрытие впускных клапанов 12 и 35. В камеры сгорания 23 и 37 форсунками 15 и 11 подается топливо, которое сгорает, сопровождаясь повышением давления и температуры. Роторы 26, относительно вращения которых рассматриваются происходящие в двигателе процессы, вращаются дальше. При определенном их положении, когда в камерах 37 и 23 сгорает основная масса поданного топлива, открываются дроссель-клапан 19 и выпускные клапаны 34. Газы из камеры 37 по соплу 4 подаются на турбину 2 привода компрессоров 1 и 25. А из камеры 23 по соплам 49 подаются на турбину 29. Особенностью истечения газов является максимально возможная скорость истечения, что достигается установкой общих сопел 50 и 30. Поскольку рассматриваем максимально развиваемую мощность, то максимально возможная скорость истечения приходится на наибольшую скорость движения транспортного средства. Для достижения вышеизложенного двигатель работает как прямоточный /эффективное КПД которых достигает 0,7 - 0,8/. После завершения истечения газов из камер сгорания 37 и 23, в которых давление падает до минимального, открываются впускные клапаны 12 и 35. Камеры сгорания продуваются и описанный выше процесс повторяется. Особенностью режима максимальной мощности является также максимальный ход дроссель-клапана 10. При этом критическое сечение сопла 4 оказывается максимальным, что дает возможность истечения газов из камеры 37 за самое короткое время. Изменяя величину критического сечения сопла 4 /дросель-клапаном 10/ добиваемся изменения частоты вращения вала компрессоров. При этом также изменяется частота происходящих в камере сгорания 37 и 23 циклов сгорания, но работа, совершаемая газами, остается одинаковой при различных частотах вращения вала компрессоров. Последнее связано также с подачей постоянного количества топлива, приходящегося на каждый цикл сгорания, что позволяет работать двигателю как стехиометрическому. Газы, попадающие на турбину, смешиваются с атмосферным воздухом и температура газов понижается. Их более низкая температура более благоприятна для работы турбин и катализатора отработавших газов. Во время движения транспортного средства заслонки 9 и 13 открыты. Воздух поступает проходя предохраняющие сетки 6 и 7. Заслонки 9 и 13 служат для оптимизации количества воздуха, проходящего через диффузоры. Топливо к блоку 18 формирования топливоподачи поступает от бака 19 по трубам 20. Блок 18 представляет собой топливный насос циклического действия. Выбор критического сечения расширяющихся сопел производится с учетом времени истечения газов из камер сгорания. Газы и воздух, попадающие в общие сопла 50 и 30 /при истечении из сопел 4 и 9 и подающиеся к сужающемуся диффузору 5 и 14/ получают дополнительное ускорение, газы при этом отдают воздуху свою тепловую энергию. В данном процессе в двигателе возникает /как конечный итог/ прирост эффекта работы. Газы, попадающие в общие сопла двигателя, расширяются, приобретая дополнительную скорость.B. Description of the operation of the device:
The engine when the vehicle is moving is as follows. The maximum power is removed from the output shaft 22. The compressors 1 and 25 through the nozzles 24 enters the air. At the same time, the air is compressed by the rotors 26 in the compression cavity. Compressed air is supplied through open valves 35 and 12 to the combustion chambers 23 and 37. At the same time, it is permissible for the exhaust throttle valve 10 as well as the valves 34 to be open at a certain moment of air intake to the combustion chambers 23 and 37. This is necessary for purging combustion chambers. Next, the exhaust throttle valve 10 and the valve 34 are closed. Compressors continue to compress air, the pressure and temperature of which increase. When reaching the maximum / from the center of rotation / remote point of the rotors of the upper position, the compression and injection of air into the combustion chambers 23 and 37 ends. The air inlet to the compressors ends, and the intake valves 12 and 35 are closed. Fuel is injected into the combustion chambers 23 and 37 by the nozzles 15 and 11, which burns, accompanied by an increase in pressure and temperature. The rotors 26, relative to the rotation of which the processes occurring in the engine are considered, rotate further. At a certain position, when the bulk of the supplied fuel burns in chambers 37 and 23, the throttle valve 19 and exhaust valves 34 open. Gases from chamber 37 are fed through nozzle 4 to turbine 2 of compressor drives 1 and 25. And from nozzle 23 through nozzles 49 are fed to the turbine 29. A feature of the outflow of gases is the maximum possible outflow speed, which is achieved by installing common nozzles 50 and 30. Since we consider the maximum developed power, the maximum possible outflow speed falls at the highest speed vehicle. To achieve the above, the engine operates as a direct-flow / effective efficiency of which reaches 0.7 - 0.8 /. After the exhaustion of gases from the combustion chambers 37 and 23, in which the pressure drops to a minimum, the inlet valves 12 and 35 open. The combustion chambers are blown and the process described above is repeated. A feature of the maximum power mode is also the maximum stroke of the throttle valve 10. In this case, the critical section of the nozzle 4 is maximum, which makes it possible for gases to flow out of the chamber 37 in the shortest time. By changing the critical cross section of the nozzle 4 / throttle valve 10 / we achieve a change in the rotational speed of the compressor shaft. At the same time, the frequency of the combustion cycles 37 and 23 occurring in the combustion chamber also changes, but the work performed by the gases remains the same at different speeds of rotation of the compressor shaft. The latter is also associated with the supply of a constant amount of fuel per each combustion cycle, which allows the engine to operate as stoichiometric. The gases entering the turbine are mixed with atmospheric air and the temperature of the gases decreases. Their lower temperature is more favorable for the operation of turbines and an exhaust gas catalyst. During the movement of the vehicle, the shutters 9 and 13 are open. Air enters through the safety nets 6 and 7. The dampers 9 and 13 are used to optimize the amount of air passing through the diffusers. Fuel to the fuel supply forming unit 18 is supplied from the tank 19 through the pipes 20. Block 18 is a cyclic fuel pump. The critical section of the expanding nozzles is selected taking into account the time of gas outflow from the combustion chambers. Gases and air entering the common nozzles 50 and 30 / when flowing out of the nozzles 4 and 9 and fed to the tapering diffuser 5 and 14 / receive additional acceleration, while the gases give off their thermal energy to the air. In this process, the engine arises / as the final result / increase in the effect of work. Gases entering the common nozzles of the engine expand, acquiring additional speed.

Claims

Combined internal combustion engine with constant volume fuel combustion, containing compressors mounted on a single shaft with a driving turbine, a free traction turbine mounted on the output shaft, combustion chambers connected through valves with compressors and expanding gas supply nozzles to the turbines, fuel supply forming unit to the nozzles of the combustion chambers and compressors of cyclic action, characterized in that the exhaust valve of the combustion chamber leading to the turbine compressors is made throttle, d I increase the efficiency of gas exhaust nozzles combustors include diffusers expanding and common nozzle, the outlet valves chambers traction free turbine combustor performed decompression.