RU2293199C2

RU2293199C2 - Gas-steam engine

Info

Publication number: RU2293199C2
Application number: RU2004126513/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Помогаев (RU); Анатолий Васильевич Помогаев
Original assignee: Анатолий Васильевич Помогаев
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2007-02-10
Also published as: RU2004126513A

Abstract

FIELD: transport and power engineering; engines.

SUBSTANCE: proposed multicylinder engine has pump and power cylinders interconnected by transfer chamber, with pistons moving synchronously and rigidly connected with rods on ends of which crossmember with two pins is arranged, with connecting rods fitted on pins and rotation opposite to each other, and two synchronizing gears. One more power cylinder operating on steam is added to pump and power cylinders. Steam is formed owing to water heating in heat exchanger arranged in transfer chamber and in exhaust space of power cylinder.

EFFECT: increased efficiency of engine and reduced overall dimensions of engine.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и может применяться на транспорте и в энергетике.The invention relates to the field of engine manufacturing and can be used in transport and energy.

Известен многоцилиндровый двигатель, имеющий насосные и силовые цилиндры, соединенные между собой передаточной камерой с поршнями, совершающими синхронное движение (WO 85/02655, F 02 В 33/22, 1985).A multi-cylinder engine is known having pump and power cylinders interconnected by a transfer chamber with pistons performing synchronous movement (WO 85/02655, F 02 B 33/22, 1985).

Также известен двигатель, имеющий поршень, жестко связанный со штоком, на конце которого расположена перекладина с двумя пальцами и насаженными на них шатунами, вращающимися навстречу друг другу, и двумя синхронизирующими шестернями (БСЭ. т. 24. I. стр.520. Москва. Издательство "Советская энциклопедия". 1976. Стирлинга двигатель).Also known is an engine having a piston rigidly connected to the rod, on the end of which there is a crossbar with two fingers and rods mounted on them, rotating towards each other, and two synchronizing gears (TSB, t. 24. I. p. 550. Moscow. Publishing house "Soviet Encyclopedia". 1976. Stirling engine).

Первый двигатель имеет возможность увеличить термодинамический (индикаторный) к.п.д. за счет увеличения степени расширения, сделав силовой цилиндр больше насосного в два-три раза.The first engine has the ability to increase the thermodynamic (indicator) efficiency by increasing the degree of expansion, making the power cylinder larger than the pumping two to three times.

"Стерлинг" имеет механический к.п.д. выше, чем у двигателей с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) за счет того, что реакция, возникающая при превращении поступательного движения во вращательное, вынесена из поршня в перекладину и уравновешивается при встречном движении двух шатунов. Но оба достоинства достигаются за счет увеличения габаритов двигателя.Sterling has a mechanical efficiency higher than that of engines with a crank mechanism (KShM) due to the fact that the reaction that occurs when translational motion is converted into rotational motion is carried out from the piston to the crossbar and is balanced when the two cranks meet in the opposite direction. But both advantages are achieved by increasing the size of the engine.

Задачей изобретения является повышение КПД двигателя при уменьшении габаритов двигателя.The objective of the invention is to increase engine efficiency while reducing the size of the engine.

Поставленная задача решается за счет того, что многоцилиндровый двигатель, имеющий насосные и силовые цилиндры, соединенные между собой передаточной камерой, с поршнями, совершающими синхронное движение и жестко соединенные со штоками, на конце которых расположена перекладина с двумя пальцами и насаженными на них шатунами, вращающимися навстречу друг другу, и двумя синхронизирующими шестернями, при этом к насосному и силовому цилиндрам добавляется еще один силовой цилиндр, работающий на пару, который образуется в результате нагрева воды, проходящей через теплообменник, размещенный в передаточной и выпускной камерах силовых цилиндров.The problem is solved due to the fact that a multi-cylinder engine having pump and power cylinders connected to each other by a transfer chamber, with pistons that perform synchronous movement and rigidly connected to rods, at the end of which there is a crossbar with two fingers and rods mounted on them, rotating towards each other, and with two synchronizing gears, while another steam cylinder is added to the pump and power cylinders, which is formed as a result of heating during s passing through a heat exchanger disposed in the transfer chamber and the outlet cylinders.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема двигателя, на фиг.2 показан разрыв коленвала, на фиг.3 - сечение блока цилиндров ⌀80 и ⌀72 с ходом 80 мм и соотношением воды к топливу 5:1.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a diagram of an engine, Fig. 2 shows a crankshaft rupture, Fig. 3 shows a section of a cylinder block ⌀80 and ⌀72 with a stroke of 80 mm and a water to fuel ratio of 5: 1.

Для наглядности допущены некоторые отступления от чертежных норм. В корпусе 1 расположены два силовых цилиндра 2, четыре насосных цилиндра 3 и два паровых цилиндра 4. В них совершают возвратно-поступательное движение поршни 5, к которым жестко прикреплены штоки 6. Все штоки прикреплены к перекладине 7, имеющей форму рамы. В раме сидят с возможностью проворачиваться два пальца 8. На пальцы 8 насажены шатуны 9. Шатуны надеты на колена 10 коленвалов 11, сидящих в разъемных держателях 12. На концах валов жестко закреплены синхронизирующие шестерни 13. На корпусе 1 смонтирована головка блока 14, в которой размещены две передаточные камеры 15, каждая из которых соединяет два насосных цилиндра с одним силовым, при этом в них над насосными цилиндрами расположены нагнетательные клапаны 16, а над силовыми - выпускные 17. Кроме того, над парой насосных цилиндров, находящихся в одном ряду, расположена всасывающая камера 18 с всасывающими клапанами 19. Над силовыми цилиндрами расположены выхлопные полости 20 с выхлопными клапанами 21. В полости 20 и передаточной камере 15, где стоят клапаны 17, расположен теплообменник 22, по которому проходит вода из насоса 23 и направляется в камеру сжатия 24 парового цилиндра, которая перекрывается клапаном 25. Над паровым цилиндром расположена выпускная камера 26 с выпускным клапаном 27. Из камеры 26 идет канал 28 к насосу 23 через полость 29. Насос 23 имеет регулировочный винт 30, обводную линию 31, линию подпитки 32, связанную с подпитывающим бачком 33. Для привода в движение насоса на коленвале 11 предусмотрен кулачок 34, а для ручной подкачки имеется рычажок 35.For clarity, some deviations from the drawing standards are allowed. In the housing 1 there are two power cylinders 2, four pump cylinders 3 and two steam cylinders 4. They reciprocate the pistons 5, to which the rods 6 are rigidly attached. All rods are attached to the crossbar 7, which has a frame shape. Two fingers are sitting with the possibility of turning 8. The connecting rods are mounted on the fingers 8. The connecting rods are mounted on the knees 10 of the crankshafts 11, which are seated in the detachable holders 12. At the ends of the shafts, the synchronizing gears 13 are fixed rigidly. The block head 14 is mounted on the housing 1, in which two transfer chambers 15 are placed, each of which connects two pump cylinders to one power cylinder, with discharge valves 16 located above them and discharge valves 17 above the power cylinders. In addition, over a pair of pump cylinders located in one Next to it, there is a suction chamber 18 with suction valves 19. Above the power cylinders are exhaust cavities 20 with exhaust valves 21. In the cavity 20 and the transfer chamber 15, where the valves 17 are located, there is a heat exchanger 22, through which water passes from the pump 23 and is directed into the compression chamber 24 of the steam cylinder, which is blocked by the valve 25. Above the steam cylinder, there is an exhaust chamber 26 with an exhaust valve 27. From the chamber 26 there is a channel 28 to the pump 23 through the cavity 29. The pump 23 has an adjustment screw 30, a bypass line 31, iju Drains 32 associated with tank 33. The fueling has a lever 35 for driving the pump in motion the crankshaft 11 is provided on the cam 34, and the manual pumping.

Между рядами клапанов проходит кулачковый вал 36, к которому прижимаются прямые скобы 37 и обратные 38. Прямая скоба краями упирается в два клапана, а обратная - в два фланца. Одна из шестерен 13 жестко связана с конической шестерней 39, которая находится в зацеплении с конической шестерней 40, а эта шестерня жестко сидит на одном валу с шестерней 41. Паразитная шестерня 42 связывает шестерню 41 с шестерней 43, которая приводит в движение вал 36. Для воспламенения воздушно-топливной смеси в силовых цилиндрах установлены свечи накаливания 44. Маховик может быть установлен на любой из синхронизирующих шестерен 13.Between the rows of valves passes the cam shaft 36, to which the straight brackets 37 and the back 38 are pressed. The straight bracket abuts the two valves with the edges, and the back bracket into two flanges. One of the gears 13 is rigidly connected to the bevel gear 39, which is meshed with the bevel gear 40, and this gear rigidly sits on the same shaft with the gear 41. The spurious gear 42 connects the gear 41 to the gear 43, which drives the shaft 36. For ignition of the air-fuel mixture in the power cylinders installed glow plugs 44. The flywheel can be installed on any of the synchronizing gears 13.

На фиг.2 показан разрыв коленвала. Это означает, что он продолжается в другом восьмицилиндровом блоке, в котором колено 10 развернуто на 180°. При этом синхронизирующих шестерен добавлять не нужно. Блоки можно добавлять (см. фиг.1) слева или справа от синхронизирующих шестерен, зацепляя между собой соседние. В этом случае в дополнительном блоке должны быть свои синхронизирующие шестерни. Можно сочетать оба способа и тогда получится четырехблочный, по восемь цилиндров в каждом, двигатель с одним маховиком. Колена в блоках в этом случае будут смещены относительно друг друга на 90°. Такой двигатель будет иметь габариты 720×600×500 (форма почти куба). По габаритам он больше жигулевского всего в два раза, а рабочая емкость в 10 раз больше (12 литров против 1,2 л) с учетом того, что к.п.д. будет выше примерно вдвое, то мощность предлагаемого двигателя будет в 20 раз больше, чем у жигулевского (≈1200 л.с.)Figure 2 shows the crankshaft rupture. This means that it continues in another eight-cylinder block, in which the elbow 10 is rotated 180 °. In this case, you do not need to add synchronizing gears. Blocks can be added (see figure 1) to the left or right of the synchronizing gears, engaging adjacent ones. In this case, the additional unit must have its own synchronizing gears. You can combine both methods and then you get a four-block, eight cylinders each, engine with one flywheel. The knees in the blocks in this case will be offset by 90 ° relative to each other. Such an engine will have dimensions of 720 × 600 × 500 (almost a cube shape). In terms of dimensions, it is only twice as large as the Zhiguli one, and the working capacity is 10 times larger (12 liters against 1.2 liters), given the fact that the efficiency approximately twice as high, the power of the proposed engine will be 20 times greater than that of the Zhiguli engine (≈1200 hp)

Работает двигатель следующим образом.The engine operates as follows.

При движении поршней 5 вниз открываются клапаны 17, 19 и 25, а кулачок 34 на валу 11 толкает плунжер насоса 23 вверх. Это вызывает процесс поступления воздушно-топливной смеси во всасывающую камеру 18 из карбюратора (не показан), процесс поступления содержимого передаточной камеры 15 в силовой цилиндр 2 и процесс поступления в камеру сжатия 24 воды из теплообменника 22. При достижении поршнями 5 нижней мертвой точки клапаны 17, 19" и 25 закрываются, а плунжер насоса 23 под действием пружины начинает движение вниз по мере ухода из - под него кулачка 34. Открываются клапаны 21, 16 и 27. Это вызывает процесс сжатия топливно-воздушной смеси в насосных цилиндрах 3 и выталкивание ее в передаточную камеру 15, процесс выталкивания содержимого силового цилиндра 2 через выхлопную полость 20 в атмосферу, процесс выталкивания содержимого парового цилиндра 4 через выпускную камеру 26 в линию 28, откуда оно поступает в полость 29. Свеча накаливания 44 постоянно находится в рабочем состоянии. При следующем движении поршней вниз кулачки повторяют свою команду, и возникают новые процессы.When the pistons 5 move down, the valves 17, 19 and 25 open, and a cam 34 on the shaft 11 pushes the plunger of the pump 23 up. This causes the process of entering the air-fuel mixture into the suction chamber 18 from a carburetor (not shown), the process of entering the contents of the transfer chamber 15 into the power cylinder 2 and the process of entering the compression chamber 24 of water from the heat exchanger 22. When the pistons 5 reach the bottom dead center, the valves 17 , 19 "and 25 are closed, and the plunger of the pump 23 starts to move downward as the cam 34 moves out from under it. Valves 21, 16 and 27 are opened. This causes the compression of the fuel-air mixture in the pump cylinders 3 and is pushed out bringing it into the transfer chamber 15, the process of pushing the contents of the power cylinder 2 through the exhaust cavity 20 into the atmosphere, the process of pushing the contents of the steam cylinder 4 through the exhaust chamber 26 into the line 28, from where it enters the cavity 29. The glow plug 44 is constantly in working condition. The next time the pistons move down, the cams repeat their command, and new processes arise.

В силовой цилиндр 2 поступает сжатая воздушно-топливная смесь, вступает в контакт со свечой 44 и воспламеняется. Происходит быстрое сгорание (примерно за 0,002 сек). При этом температура возрастает до нескольких тысяч градусов, а давление примерно на порядок. Вода, проходящая по теплообменнику, отбирает тепло у газов и нагревается сама. Температура газов падает, а температура воды растет, пока не поравняются. При соотношении воды к бензину 5:1, это произойдет примерно при 1000 С°.A compressed air-fuel mixture enters the power cylinder 2, comes into contact with the candle 44 and ignites. Rapid combustion occurs (in about 0.002 seconds). In this case, the temperature rises to several thousand degrees, and the pressure is about an order of magnitude. Water passing through the heat exchanger removes heat from the gases and heats itself. The temperature of the gases drops, and the temperature of the water rises until they equalize. When the ratio of water to gasoline is 5: 1, this will happen at about 1000 ° C.

Давление воды может подняться до 200-300 ат. Пар через камеру сжатия 24 поступает в паровой цилиндр 4 и давит на поршень. Таким образом, одновременно в силовом цилиндре 2 на поршень давят газы, а в паровом цилиндре 4 - водяной пар. Происходит двойной рабочий ход, создающий крутящий момент на всех шестернях.Water pressure can rise to 200-300 at. Steam through the compression chamber 24 enters the steam cylinder 4 and presses on the piston. Thus, at the same time, gases are pressed on the piston in the power cylinder 2, and water vapor in the steam cylinder 4. A double stroke occurs, creating torque on all gears.

Когда поршни снова пойдут вверх, в насосных цилиндрах 3 будет происходить очередной такт сжатия, а в силовом цилиндре 2 - первый такт "выхлопа" рабочих газов, в паровом цилиндре 4 при этом будет происходить процесс выталкивания смеси пара и конденсата в линию 28. Образование конденсата происходит за счет высокой степени расширения (около 50).When the pistons go up again, the next compression stroke will take place in the pump cylinders 3, and the first cycle of the “exhaust” of working gases will take place in the power cylinder 2, and the steam and condensate mixture will be pushed out into the steam cylinder 4 to the line 28. Condensation occurs due to the high degree of expansion (about 50).

При следующем движении поршней вниз повторяется уже нормальный цикл. Таким образом, мы получаем двигатель, который одновременно использует два рабочих тела: продукты горения топлива и водяной пар. С помощью регулировочного винта 30 можно изменять давление пара и количество тепла, забираемого водой, в небольших пределах (20...50%).The next time the pistons move down, the normal cycle repeats. Thus, we get an engine that simultaneously uses two working fluids: fuel combustion products and water vapor. Using the adjusting screw 30, you can change the steam pressure and the amount of heat taken by water, in a small range (20 ... 50%).

Можно часть пара из теплообменника забирать, тогда конструкция будет работать и как двигатель, и как обогреватель.You can take part of the steam from the heat exchanger, then the design will work both as an engine and as a heater.

Можно весь пар пустить на обогрев помещений, тогда получится мини-котельная. При этом можно увеличить мощность насоса, убрать паровой цилиндр и подобрать степень расширения в газовом цилиндре так, чтобы его мощности хватало только на работу компрессора, а все оставшиеся тепло шло на нагрев воды. Если еще в качестве топлива использовать сетевой газ, то коммунальщики получат самый дешевый способ обогрева помещений.You can let all the steam to heat the premises, then you get a mini-boiler room. In this case, you can increase the pump power, remove the steam cylinder and select the degree of expansion in the gas cylinder so that its power is sufficient only for the compressor, and all the remaining heat was used to heat the water. If we also use network gas as fuel, then communal services will receive the cheapest way to heat the premises.

Предложенный двигатель, помимо всего, может дать экономию топлива около 15% за счет того, что может работать на избытке воздуха, поскольку надежность зажигания в нем обеспечивается не высокой степенью сжатия, как у дизеля, а постоянным накалом свечи.The proposed engine, in addition, can provide fuel savings of about 15% due to the fact that it can work on excess air, since the ignition reliability in it is provided not by a high compression ratio, like a diesel engine, but by the constant glow of a candle.

Claims

A multi-cylinder engine having pump and power cylinders interconnected by a transfer chamber, with pistons making synchronous movement and rigidly connected to rods, at the end of which there is a crossbar with two fingers and rods mounted on them, rotating towards each other, and two synchronizing gears characterized in that to the pump and power cylinders is added another steam cylinder, which is formed as a result of heating water passing through a heat exchange k, disposed in the transfer chamber and the exhaust cavity of the jack.