RU45475U1

RU45475U1 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Info

Publication number: RU45475U1
Application number: RU2005100201/22U
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Сазонов; В.И. Заякин
Original assignee: Сазонов Юрий Апполоньевич
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2005-05-10

Abstract

Заявляемое техническое решение относится к области двигателестроения и может применяться при создании механизмов и машин с вращательным движением отдельных узлов и деталей. 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 1, топливную систему, 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, установлен центробежный нагнетатель 9, рабочая камера которого через камеру сгорания 7 постоянно сообщается с соплами 8. Возможны дополнительные варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых целесообразно, чтобы:The claimed technical solution relates to the field of engine building and can be used to create mechanisms and machines with rotational movement of individual components and parts. The proposed technical solution is aimed at increasing the efficiency of the engine and reducing noise during engine operation. The specified technical result is achieved when using an internal combustion engine, which includes a housing 1, a fuel system, bearing assemblies 4 and a rotor installed on them, comprising a shaft 5 and serially connected air intake 6, a combustion chamber 7 and a nozzle 8. connected in series with each other. an air intake, a centrifugal supercharger 9 is installed, the working chamber of which through the combustion chamber 7 is constantly in communication with the nozzles 8. Additional options for the internal combustion engine are possible, in which in accordance with:

- при выходном канале воздухозаборника 6 диаметром D1, как минимум часть сопел 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, а геометрические размеры связаны следующими соотношениями: D1<D2<D3.- at the outlet channel of the air intake 6 with a diameter of D1, at least part of the nozzles 8 are installed around the perimeter and inside a circle with a diameter of D2 with its center on the axis of rotation of the shaft 5, and the nozzles are located at least between two disks 10 and 11 with a diameter of D3, concentric with circle D2, and the geometric dimensions are connected by the following relations: D1 <D2 <D3.

- выходное отверстие каждого сопла 8 выполнено в форме прямоугольника, а длина наибольшей стороны этого прямоугольника равна расстоянию между дисками 10 и 11 диаметром D3.- the outlet of each nozzle 8 is made in the form of a rectangle, and the length of the largest side of this rectangle is equal to the distance between the disks 10 and 11 with a diameter of D3.

- выходные отверстия части сопел 12 направлены вдоль оси вращения в сторону, противоположную от воздухозаборника 6.- the outlet part of the nozzles 12 are directed along the axis of rotation in the direction opposite to the air intake 6.

- сопло 12 направленное вдоль оси вращения в сторону, противоположную от воздухозаборника 6 выполнено кольцевым.- the nozzle 12 directed along the axis of rotation in the direction opposite to the air intake 6 is made annular.

- 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.- the inlet ducts are equipped with short diffusers and are located at least between two disks around the perimeter and inside a circle of diameter D4, and the diameter D4 is larger than the diameter D1 of the outlet duct of the air intake.

- корпус двигателя оснащен глушителем и дополнительной звукоизолирующей камерой, внутри которой помещен ротор.- the engine casing is equipped with a silencer and an additional soundproofing chamber, inside which the rotor is placed.

Description

Заявляемое техническое решение относится к области двигателестроения и может применяться при создании механизмов и машин с вращательным движением отдельных узлов и деталей.The claimed technical solution relates to the field of engine building and can be used to create mechanisms and machines with rotational movement of individual components and parts.

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].The closest technical solution to the claimed one is a detonation engine, comprising a housing, a fuel system, bearing assemblies and a rotor mounted on them, comprising a shaft and serially connected interconnected air intake, combustion chamber and nozzles [Patent No. 2032103, F 02 K 9 / thirty. The detonation engine (options) - from 03/28/91, publ. 03/27/95 Bull. No. 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.However, the known engine during its operation draws ambient air into the movement without using this air in the working process, which does not allow to achieve high values of the efficiency of the engine itself. The resulting turbulent flows in the ambient air create additional noise.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение коэффициента полезного действия двигателя и снижение уровня шума при работе двигателя.The proposed technical solution is aimed at increasing the efficiency of the engine and reducing noise during engine operation.

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.The specified technical result is achieved when using an internal combustion engine, which includes a housing, a fuel system, bearing assemblies and a rotor mounted on them, comprising a shaft and serially connected interconnected air intake, combustion chamber and nozzles. In the rotor behind the air intake, a centrifugal supercharger is installed, the working chamber of which is constantly in communication with the nozzles through the combustion chamber.

Возможны дополнительные варианты двигателя внутреннего сгорания, в которых целесообразно, чтобы:Additional options for the internal combustion engine are possible, in which it is advisable that:

- 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.- at the outlet channel of the air intake with a diameter of D1, at least part of the nozzles are installed around the perimeter and inside the circle with a diameter of D2 with its center on the axis of rotation of the shaft, and the nozzles are located at least between two disks with a diameter of D3 concentric with the circle D2, and the geometric dimensions are connected by the following relations: D1 <D2 <D3.

- выходное отверстие каждого сопла выполнено в форме прямоугольника, а длина наибольшей стороны этого прямоугольника равна расстоянию между дисками диаметром D3.- the outlet of each nozzle is made in the form of a rectangle, and the length of the largest side of this rectangle is equal to the distance between the disks of diameter D3.

- выходные отверстия части сопел направлены вдоль оси вращения в сторону, противоположную от воздухозаборника.- the outlet part of the nozzles are directed along the axis of rotation in the direction opposite to the air intake.

- сопло направленное вдоль оси вращения в сторону, противоположную от воздухозаборника выполнено кольцевым.- the nozzle directed along the axis of rotation in the direction opposite to the air intake is made annular.

На фигуре 1 показан продольный разрез двигателя внутреннего сгорания.The figure 1 shows a longitudinal section of an internal combustion engine.

На фигуре 2 показан разрез А-А по фигуре 1.Figure 2 shows a section aa according to figure 1.

На фигуре 3 показан двигатель внутреннего сгорания с вариантом исполнения воздухозаборника.Figure 3 shows an internal combustion engine with an embodiment of an air intake.

На фигуре 4 показан разрез Б-Б по фигуре 4.Figure 4 shows a section bB according to figure 4.

На фигуре 5 показан продольный разрез двигателя внутреннего сгорания, оснащенного системой звукоизоляции.The figure 5 shows a longitudinal section of an internal combustion engine equipped with a sound insulation system.

На фигуре 6 показан продольный разрез двигателя внутреннего сгорания с вариантом исполнения камеры сгорания.Figure 6 shows a longitudinal section of an internal combustion engine with an embodiment of a combustion chamber.

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.The internal combustion engine includes a housing 1 (conventionally shown in figure 1), a fuel system with nozzles 2 and a supply channel 3, bearing assemblies 4 and a rotor mounted on them, comprising a shaft 5 and serially connected air intake 6 interconnected to each other, a combustion chamber 7 and nozzle 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.In the rotor behind the air intake 6, with its output channel with a diameter of D1, a centrifugal supercharger 9 is installed. The supercharger 9 can be a blade or disk. The working chamber - the internal cavity of the supercharger 9 through the combustion chamber 7 is constantly in communication with the nozzles 8. Nozzles 8 are installed around the perimeter and inside a circle with a diameter D2 with its center on the axis of rotation of the shaft 5, and the nozzles are located at least between two disks 10 and 11 diameter D3, concentric with a circle D2. The geometric dimensions of the rotor parts are related by the following relationships: D1 <D2 <D3.

Сопло 12 выполнено кольцевым и направлено вдоль оси вращения в сторону, противоположную от воздухозаборника 6.The nozzle 12 is made annular and directed along the axis of rotation in the direction opposite to the air intake 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).The outlet 13 (figure 2) of each nozzle 8 can be made in the form of a rectangle with sides "a" and "b". The length of the largest side of this rectangle "b" is equal to the distance between the disks 10 and 11 with a diameter of D3 (figure 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.It is possible to perform an air intake (figure 3) when its inlet openings 14 are located at least between two disks 15 and 16 around the perimeter and inside a circle of diameter D4. Moreover, the diameter D4 is larger than the diameter D1 of the outlet duct of the air intake.

Профилированные перегородки 17 (фигура 4), образуют короткие диффузоры.Profiled partitions 17 (figure 4) form short diffusers.

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.The internal combustion engine can be equipped with a muffler 18 and an additional soundproof chamber 19, inside which a rotor with nozzles 8 is placed (figure 5). The walls of the chamber 19 may be coated with one or more layers of sound-absorbing materials.

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.The figure 6 shows a variant of the internal combustion engine in which the nozzle 6 and the supercharger 9 are located on one side of the combustion chamber 7, which is made in the form of an annular channel of variable cross-section, ending with nozzles 8 and 12. The fuel system contains nozzles 2 and the inlet channel 3, which are divided an evaporation chamber 20 formed by the inner wall of the combustion chamber 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 The internal combustion engine operates as follows. With the help of a starter (electric or pneumatic), the rotor begins to rotate. Starter and ignition system components are not shown in the figures. When the rotor rotates on the air filling the working chamber of the supercharger 9, centrifugal forces act, which ensure the air is pumped towards the combustion chamber 7. The force on the pumped air in the supercharger 9 is carried out using blades or discs located inside the supercharger 9. Through the stationary supply channel 3, equipped with, for example, an end seal, supplies fuel to the central channel of the hollow shaft 5. Next, the fuel is fed through the nozzles 2 into the combustion chamber 7. In the combustion chamber 7, ignition is performed (using the ignition system) and the subsequent combustion of the air-fuel mixture. The hot gas consisting of the combustion products, which is the working fluid, is sent to the nozzles 8. The nozzles 8 are used to convert the thermal and potential energy of the working fluid into the kinetic energy of the jets flowing from the nozzles 8. Reactive force due to outflow

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.jets, provides the transmission of torque and power to the rotor. The main part of the power through the shaft 5 is transferred to a plug-in additional machine that does useful work (this machine is not shown in the figures). The remaining part of the power is used for pumping and compressing air by a centrifugal supercharger 9. As the rotor speed increases, the pressure of the air and the working fluid in the combustion chamber increases, which favorably affects the increase in the efficiency of the engine as a whole. To protect the shaft 5 and the walls of the combustion chamber 7 from overheating, the rotor design provides for the possibility of heat removal by pre-heating the fuel as it flows through the shaft 5 and the cavity between the shaft 5 and the combustion chamber 7. The outer wall of the combustion chamber 7 is cooled by contact with the environment cold air.

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.Due to the rectangular shape of the nozzle outlet 8. It is possible to obtain a flat gas jet capable of flowing around curved surfaces without detaching the jet from this surface, due to the Coanda effect [A. Rekhten Inkjet technology: Basics, elements, schemes: Per. with him. - M.: Mechanical Engineering, 1980 .-- 237 p. - (p. 48-53)]. In the continuous flow of a flat jet over the curvilinear upper wall of the nozzle 8 (Figure 2), the jet itself changes its direction of flow. This rotation of the jet is accompanied by a decrease in pressure over the curvilinear upper wall of the nozzle 8, which contributes to the emergence of additional force acting on the upper wall of the nozzle 8. The action of this additional force, in turn, increases the torque on the shaft 5 and increases the efficiency of the engine as a whole . The operating principles laid down in the engine design are fulfilled if the geometric dimensions of the rotor parts are connected by the following relationships: 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.The embodiment of the air intake shown in figures 3 and 4 allows to increase the air pressure at the inlet to the centrifugal supercharger 9. After the air passes through the inlet channel 14, the air pressure rises in the short diffuser formed by the partitions 17, according to the known laws of gas dynamics. Further, the air moves to the center of the rotor and enters the inlet of the centrifugal supercharger 9, while the movement does not exert a force on the air inside the air intake, the increased air pressure remains constant at all points inside the air intake.

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.The rotor, which is a body of revolution, because of its shape does not exert a force effect on the surrounding air. In this regard, energy losses are eliminated and the reasons causing the occurrence of noise disappear. In the gap between the disks 10 and 11, as well as in the radial flat bladeless diffuser, an additional decrease in the gas flow rate can be provided, which in turn reduces noise and energy loss.

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.In the embodiment of the engine of FIG. 5, exhaust gases escape into the atmosphere through a muffler 18 and an additional soundproofing chamber 19, which provide noise reduction. In this case, the issue of cooling the outer wall of the combustion chamber 7 is additionally solved using known methods.

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.Due to the appropriate selection of the longitudinal and transverse dimensions of the combustion chamber, air intake and nozzle in the inventive internal combustion engine, various combustion modes of the fuel-air mixture can be realized: the combustion mode at constant pressure as in known gas turbine plants or the combustion mode at variable pressure as in known pulsating air - jet engines.

Claims

1. An internal combustion engine comprising a housing, a fuel system, bearing assemblies and a rotor mounted on them, comprising a shaft and serially connected interconnected air intake, a combustion chamber and nozzles, characterized in that a centrifugal supercharger is installed in the rotor behind the air intake, the working chamber of which through the combustion chamber is constantly in communication with nozzles.

2. The internal combustion engine according to claim 1, characterized in that at the outlet channel of the air intake with a diameter of D1, at least part of the nozzles are installed around the perimeter and inside the circle with a diameter of D2 with its center on the axis of rotation of the shaft, and the nozzles are located at least between two disks with a diameter of D3 concentric with a circle D2, and the geometric dimensions are connected by the following relationships: D1 <D2 <D3.

3. The internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the outlet of each nozzle is made in the form of a rectangle, and the length of the largest side of this rectangle is equal to the distance between the disks of diameter D3.

4. The internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the outlet openings of the nozzle part are directed along the axis of rotation in the direction opposite to the air intake.

4. The internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the nozzle directed along the axis of rotation in the direction opposite to the air intake is made annular.

5. The internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the intake ducts are equipped with short diffusers and are located at least between two disks along the perimeter and inside a circle of diameter D4, the diameter D4 being larger than the diameter D1 of the air outlet duct.

6. The internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the casing is equipped with a silencer and an additional soundproof chamber, inside which the rotor is placed.