Двигатель

 

Изобретение относится к судовым двигательным установкам, а более конкретно к водометным двигателям - движителям. Двигатель содержит камеру сгорания со свечой зажигания, выхлопным и впускным клапанами, систему подготовки подачи топлива, пневмомагистраль с клапанами, ресивер, газопровод, гидравлическую камеру, расположенную ниже уровня воды с датчиком заполнения водой, гидроклапаном и сопловым агрегатом в виде четырех сопел, снабженных управляемыми створками-дросселями, компрессионную камеру с разделителем и всасывающим клапаном. Пневмомагистраль содержит редуктор давления, а гидравлическая камера сообщается с рубашкой охлаждения камеры сгорания через охладительный трубопровод с вентилем и гидроэлектрогенератором совместно с зарядным устройством и аккумуляторной батареей и с компрессионной камерой через компрессионный трубопровод. Двигатель включает в себя электронно-логический блок управления, получающий информацию от ключа зажигания, датчика заполнения гидравлической камеры водой, датчика давления в ресивере, датчика давления в гидравлической камере, датчика наличия топлива, а также от пульта управления и педали управления карбюратором, задающих режим работы двигателя и преобразующих ее в команду на подачу высокого напряжения на свечу зажигания, команду на включение временной задержки, команды на открытие и закрытие клапанов, а также в программы управления створками-дросселями соплового агрегата, что обеспечивает исполнение заданного режима работы двигателя. Достигаются простота конструкции двигателя, снижение энергетических и финансовых затрат на его производство и эксплуатацию. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к судовым двигательным установкам, а более конкретно к водометным двигателям - движителям.

Известен водометный двигатель - движитель, состоящий из источника сжатого воздуха, системы подачи сжатого воздуха и рабочей полости в виде трубы с диффузором. См. , например, А.А.Русецкого "Движители судов с динамическими принципами поддержания", изд. "Судостроение", Ленинград, 1979, стр. 199.

Анализ работы такого водометного двигателя - движителя показывает, что наряду с потерями, обусловленными вызванными скоростями и вязкостью, существуют специфические потери, связанные с так называемым "скольжением фаз". Эти потери возникают вследствие того, что в проточной части движителя вместо однородной двухфазной смеси образуется "слоеное тесто", в котором скорость воздуха намного превышает скорость воды. Потери возрастают с ростом нагрузки. Анализ модельных испытаний, проведенных на специальных стендах, позволяет утверждать, что собственный КПД движителя на оптимальных режимах не превышает 0,5 - 0,6. Таким образом пропульсивный КПД (комплекса) не превышает 0,3 - 0,4, что существенно ниже чем у других движителей. Разогнать судно только с помощью газоводометного движителя невозможно, т.к. тяга движителя зависит от скорости судна, при V = 0 тяга R = 0.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является взятый за прототип двигатель, включающий камеры сгорания, частично и периодически заполняемые водой, свечи зажигания, выхлопные и впускные клапаны, систему подготовки и подачи топлива, пневмомагистраль с пневмоклапанами, компрессор с ресивером, пневморукава, входной и выходной патрубки с запорными клапанами, турбину с маховиком и клиноременной передачей. См., например, описание к патенту Российской Федерации N 2042844, опубл. 27.08.95.

Хотя КПД таких двигателей высок и может достигать 96-98%, его преимущества теряются от применения совместно с гребным винтом и громоздкой системой рулевого управления на судах, т.к. эти двигатели не способны непосредственно превращать потенциальную энергию сжатых газов (продуктов сгорания горючей смеси) в кинетическую энергию реактивной водяной струи, создающей тягу, требуемую для движения или маневра судна.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание двигателя, позволяющего превращать потенциальную энергию сжатых газов (продуктов сгорания горючей смеси) в кинетическую энергию реактивной водяной струи. Ожидаемый технический результат заключается в создании двигателя-движителя для плавающих средств (судов), обеспечивающего простоту конструкции, минимальные энергетические и финансовые затраты и позволяющего использование реактивной водяной струи для движения и/или маневра судна.

Для этого устройство двигателя, включающее камеру сгорания (КС), свечу зажигания, выхлопной и впускной клапаны, систему подготовки и подачи топлива, пневмомагистраль с клапанами, ресивер, газопровод, гидравлическую камеру (ГК), расположенную ниже уровня воды с датчиком заполнения водой, гидроклапаном и сопловым агрегатом в виде четырех створок-дросселей и четырех сопел, компрессионную камеру с разделителем и всасывающим клапаном, при этом пневмомагистраль содержит редуктор давления, а ГК сообщается с рубашкой охлаждения КС через охладительный трубопровод с вентилем и гидроэлектрогенератором совместно с зарядным устройством и аккумуляторной батареей и с компрессионной камерой через компрессионный трубопровод, а также электронно-логический блок управления (ЭЛБУ), получающий информацию от ключа зажигания, датчика заполнения ГК водой, датчика давления в ресивере, датчика давления в гидравлической камере, датчика наличия топлива, а также от пульта управления и педали управления карбюратором, задающих режим работы двигателя и преобразующий ее в команду на подачу высокого напряжения на свечу зажигания, команду на включение временной задержки, команды на открытие и закрытие клапанов, а также в программы управления створками-дросселями и, кроме того, блок ЭЛБУ обеспечивает своевременное включение очередного двигателя последующего каскада.

На фиг. 1 представлена принципиальная пневмогидроэлектрическая схема одного двигателя, являющегося компонентом многокаскадного двигателя.

На фиг. 2 - вид по стрелке А.

На фиг. 3 - диаграмма одиночных импульсов тяги.

На фиг. 4 - диаграмма формирования постоянной тяги.

Двигатель состоит из (см. фиг. 1) выхлопного клапана 1, свечи зажигания 2, камеры сгорания (КС) 3, впускного клапана 4, датчика заполнения водой 5, газопровода 6, гидроклапана 7, гидравлической камеры (ГК) 8, четырех створок дросселей 9, четырех сопел 10, компрессионной камеры 11, всасывающего клапана 12, обратного клапана 13, ресивера (баллона высокого давления) 14, клапана 15, редуктора давления 16, топливного бака 17, разделителя 18, рубашки охлаждения 19, карбюратора 20, вентиля 21, компрессионного трубопровода 22, охладительного трубопровода 23, датчика давления в ресивере 24, ключа зажигания 25, аккумуляторной батареи 26, электронно-логического блока управления (ЭЛБУ) - управляющей ЭВМ 27, пульта управления 28, зарядного устройства 29, гидроэлектрогенератора 30, педали управления карбюратором 31, датчика наличия топлива 32, датчика давления в гидравлической камере 33, соплового агрегата 34.

Основные элементы двигателя это: гидравлическая камера 8, которая предназначена для периодического забора свежей порции забортной воды и последующего выбрасывания ее через сопловой агрегат 34; четыре сопла 10, снабженные управляемыми створками-дросселями 9, которые предназначены для выброса реактивной струи воды в нужном направлении с целью создания необходимой тяги и/или управляющего момента и представляющими собой сопловой агрегат 34 (фиг. 2); камера сгорания 3, предназначена для получения высокого давления газов, получаемых в результате сжигания горючей смеси; газопровод 6 предназначен для непосредственной передачи высокого давления газов на поверхность вытесняемой воды. В газопроводе 6 монтируется датчик заполнения водой 5; компрессионная камера 11 с разделителем 18 (воздух/вода) и с пружинным механизмом, предназначена для предварительного сжатия атмосферного воздуха и перепуска его в ресивер 14; ресивер 14 (баллон высокого давления) предназначен для аккумулирования воздуха под расчетным давлением с целью подачи его в карбюратор 20 для приготовления в нем горючей смеси (вместо карбюратора может быть установлена форсунка); топливный бак 17 предназначен для хранения в нем топлива и подачи его в карбюратор.

Действие двигателя складывается из трех взаимосвязанных циклов: - рабочего цикла; - цикла подготовки горючей смеси; - цикла подзарядки аккумуляторной батареи.

Рабочий цикл включает: I. Исходное состояние, когда: а/ топливный бак 17 заполнен топливом; б/ в ресивере 14 находится воздух под расчетным давлением; в/ гидравлическая камера 8 заполнена водой; г/ выхлопной клапан 1 и гидроклапан 7 открыты; д/ впускной клапан 4 и все створки-дроссели 9 закрыты.

II. Шаги рабочего цикла: а/ включается ключ зажигания 25. Происходит запитка общей электросистемы многокаскадного двигателя; б/ если датчик давления в ресивере 24 подтверждает наличие расчетного давления и датчик заполнения водой 5 подтверждает заполнение водой гидравлической камеры 8, то блок ЭЛБУ 27 подают команду на открытие впускного клапана 4 и клапана 15. Камера сгорания 3 начинает заполняться горючей смесью. Одновременно с командой на открытие впускного клапана 4 блок ЭЛБУ включает встроенную в него временную задержку t, подобранную экспериментально таким образом, чтобы по мере заполнения КС 3 горючей смесью, ранее находящиеся в ней газы были бы максимально удалены через открытый выхлопной клапан 1, а поступающая через впускной клапан 4 горючая смесь еще не успела бы достичь отверстия выхлопного клапана 1, т.е. одновременно с заполнением КС 3 горючей смесью продолжается выхлоп ранее отработанных газов; в/ по окончании действия временной задержки t блок ЭЛБУ выдает команду на закрытие выхлопного клапана 1. Продолжается заполнение КС 3 горючей смесью; г/ в КС 3 и ГК 8 начинает повышаться давление, при этом автоматически зарывается гидроклапан 7; д/ по достижении в КС 3 и ГК 8 расчетного давления, оптимального для поджигания горючей смеси, датчик давления в гидравлической камере 33 подает команду в ЭЛБУ 27. ЭЛБУ, в свою очередь, подает команду на закрытие впускного клапана 4, всасывающего клапана 12 и клапана 15, после чего подает высокое напряжение на свечу зажигания 2. Происходит воспламенение горючей смеси; е/ в КС 3 и ГК 8 резко повышается давление, достигая своего максимального значения P_max., величина которого регулируется карбюратором 20, управляемым в свою очередь, оператором вручную или с помощью педали управления карбюратором 31. Управление карбюратором может быть дистанционным или автоматическим от ЭЛБУ 27, или же с помощью рычага управления. Регулирование давления P_max., а следовательно, и величины тяги достигается путем обогащения или обеднения горючей смеси впрыскиваемой по п. II б/, в/, г/, д/. В это же время по охладительному трубопроводу 23 под рубашку охлаждения 19 подается порция холодной воды. Количество этой порции регулируется настройкой вентиля 21. Величина порции подбирается таким образом, чтобы температура стенок КС 3 не превышала расчетной, определяемой термостойкостью этих стенок. Открывается обратный клапан 13; ж/ по информации о достижении в ГК максимального давления, получаемой от датчика давления ГК 33, блок ЭЛБУ открывает створку-дроссель 9 сопла 10, обеспечивающего тягу для движения судна вперед, а в случае необходимости поворота судна, соответственно створку-дроссель левого или правого сопла. В случае же необходимости заднего хода - створку-дроссель сопла, обеспечивающего задний ход; з/ вода из ГК 8 под высоким давлением начинает истекать через нужное сопло, создавая реактивную тягу и, если это необходимо, то одновременно и управляющий момент для поворота судна. По мере истечения воды давление в ГК и КС начинает падать, открывается всасывающий клапан 12 и закрывается обратный клапан 13; и/ по окончании действия импульса тяги давление в ГК и КС резко падает, снижаясь практически до давления забортной воды на срезе сопла, т.е. примерно до 1-й атм. По сигналу датчика давления в ГК 33, указывающего на достижение минимального давления, блок ЭЛБУ подает команду на закрытие всех створок-дросселей и открытие выхлопного клапана 1. Остатки отработанных газов через выхлопной клапан 1 начинают стравливаться в атмосферу. Автоматически открывается гидроклапан 7 и ГК 8 начинает заполняться новой порцией воды, усиливая тем самым выдавливание отработанных газов через выхлопной клапан 1 в атмосферу.

I. По завершении заполнения ГК водой датчик заполнения водой 5 посылает сигнал о готовности данного двигателя начать новый цикл работы. По завершении работы остальных двигателей многокаскадного двигателя блок ЭЛБУ снова включает этот двигатель и снова повторяется вся последовательность вышеописанных действий.

Циклограмма работы клапанов приведена в таблице.

Цикл подготовки рабочей смеси включает: I. Исходное состояние, когда: а/ Ресивер 14 заполнен воздухом под начальным расчетным давлением P_ро; б/ Разделитель 18, притянутый пружинным механизмом, находится в крайнем нижнем положении; в/ Всасывающий клапан 12 открыт; г/ Обратный клапан 13 и клапан 15 закрыты.

II. Шаги цикла подготовки горючей смеси включают следующие шаги, соответствующие по индексам шагам рабочего цикла: б/ Одновременно с открытием впускного клапана 4 открывается клапан 15. Сжатый воздух из ресивера через редуктор давления 16 поступает в карбюратор 20 и, смешиваясь с топливом, образует горючую смесь, которая под давлением поступает в КС; д/ Одновременно с командой на зажигание закрываются всасывающий клапан 12 и клапан 15; е/ При резком повышении давления в ГК часть воздуха по компрессионному трубопроводу 22 поступает в компрессионную камеру 11, сжимает находящийся в ней воздух и растягивает пружинный механизм разделителя 18. Разделитель поднимается в крайнее верхнее положение. Обратный клапан 13 открывается и сжатый воздух поступает в ресивер 14, компенсируя потерю давления; з/ С началом падения давления в ГК закрывается обратный клапан 13. При продолжении падения давления в ГК уровень воды в компрессионной камере 11 снижается. В воздушной части камеры начинает создаваться разрежение (давление падает ниже 1 атм.). Открывается всасывающий клапан 12 и свежая порция воздуха засасывается в компрессионную камеру 11.

I. По завершении заполнения компрессионной камеры воздухом завершается цикл подготовки горючей смеси и в дальнейшем повторяется описанная последовательность действий.

Цикл подзарядки аккумуляторной батареи включает: I. Исходное состояние: Аккумуляторная батарея 26 полностью заряжена.

II. Шаги цикла подзарядки: а/ Одновременно с включением ключа зажигания 25 запитывается вся электросхема (см. фиг. 1 ) и начинается расходование электроэнергии; е/ Как только вода из ГК начинает поступать под рубашку охлаждения 19 камеры сгорания 3, поток этой воды вращает гидроэлектрогенератор 30, устанавливаемый либо до впрыска воды в рубашку охлаждения 19, либо после истечения ее из рубашки охлаждения, т.е. в потоке уже отработанной воды. За период впрыска 1-й порции воды гидроэлектрогенератор 30 вырабатывает такое количество электроэнергии, какое необходимо для полной компенсации ее расходования за время рабочего цикла.

I. Полностью подзаряженная аккумуляторная батарея возвращается в исходное состояние и повторяется последовательность действий.

Диаграммы одиночных импульсов тяги представлены на фиг. 3.

а) Типовая диаграмма реального одиночного импульса тяги Rp(t). Кривая Rp(t) является функциональной зависимостью тяги R от времени t, полученной по результатам реальных измерений тяги отдельного двигателя, полученных на опытном образце при полностью открытой створке-дросселе 9, обеспечивающей поступательную тягу двигателя и полностью закрытых остальных створках-дросселях. Буквенные индексы, используемые на диаграммах, означают: Rpm - максимальное замеренное значение тяги Rp.

tp - максимальное время действия импульса.

tcp - полное время рабочего цикла и холостого хода txx (для забора новой порции воды в ГК).

txx = tcp-tp - время холостого хода (зависящего от скорости движения судна).

фактическое значение величины одиночного импульса тяги.

Параметры диаграммы Rp(t), при практически неизменной форме, могут меняться как в зависимости от состава горючей смеси, подаваемой в КС карбюратором 20, так и от объема КС, определяемого блоком ЭЛБУ согласно информации, получаемой им от датчика заполнения водой 5.

Величина максимальной тяги Rpm может быть вычислена по следующей формуле: Rpm = 2PFc, где Р - максимальное давление в КС (для дизельных двигателей Р достигает 90 кг/кв.см.);
Fc - выходное сечение сопла при полностью открытой створке-дросселе 9 (для дальнейших оценок примем, что это квадрат со стороной 15 см). В этом случае Rpm = Rao = 40500 кг, т.е. примерно 40 т.

б) Расчетная диаграмма импульса тяги для приближенных вычислений Ra(t).

Прямая Ra(t) приблизительно аппроксимирует кривую Rp(t) с целью упрощения вычислений.

По условиям аппроксимации предполагается, что Rao=Rpm; ta=tp, а крутизна спада Rao/ta равна среднему значению производной dRp/dt на участке спада тяги. При этом предполагается, что величина импульса тяги Jp = Ja = 0,5 Rao ta.

в) Расчетная диаграмма одиночного управляемого импульса тяги Ry(t), где Rym - максимальная величина тяги. tl - время нарастания тяги с крутизной нарастания Ка от момента t=0 до момента выхода на режим постоянной тяги Rym. Ka=Rao/ta.

t2 - время окончания режима постоянной тяги и начало ее спада.

tk- время действия управляемого импульса тяги.

tcy- время полного цикла одиночного управляемого импульса тяги (суммарное время рабочего и холостого хода), т.е. tcy = tk+txx
Значение Rym может быть вычислено по следующей формуле:

где tk ta , полагая, например,
tk=1,5ta, получим Rym = 0.5 Rpm, т.е. Rym = 20 т.

Постоянная тяга может быть получена следующим способом (см. фиг. 4): управляемые импульсы тяги последовательно (каскадно) включаемых двигателей накладываются друг на друга таким образом, что при начале спада тяги предыдущего двигателя (в точке t2) включается последующий двигатель. При этом скорость нарастания тяги этого двигателя управляется ЭЛБУ при помощи створки-дросселя 9 таким образом, чтобы сумма тяг предыдущего и последующего двигателя равнялась в точности Rym. Так, к моменту падения тяги предыдущего двигателя до нуля в точке Ry(tk) = 0 нарастающая тяга последующего двигателя достигает своего расчетного значения Rym. Таким образом обеспечивается непрерывность постоянной тяги многокаскадного двигателя.

Расчет необходимого числа двигателей (каскадов).

а/ Очевидно, что минимальное число двигателей, необходимое для поддержания расчетной тяги Rym на участке от начала спада тяги 1-го двигателя до начала спада тяги 2-го двигателя, совпадающего с началом 2-го цикла тяги 1-го двигателя, равно двум.

б/ Максимально потребное число двигателей можно определить из условия, что диаграмма управляемой тяги каждого двигателя будет представлять из себя равнобедренный треугольник с крутизной подъема и спада тяги, равной Ka= Rao/ta.

В общем случае максимально потребное число двигателей можно вычислить по следующей формуле: , причем, поскольку число N - целое число, а выражение реальное число, то если округлить его до меньшего целого числа, то диаграмма управляемой тяги Ry(t) будет складываться из трапециевидных импульсов, приближающихся к треугольной форме, и Rym будет несколько меньше значения если же число N будет округлено в большую сторону, то в многокаскадном двигателе появится один избыточный двигатель, который не успеет выработать свой импульс тяги к моменту включения 2-го цикла 1-го двигателя, и поэтому начало включения 2-го цикла 1-го двигателя должно быть на некоторое время задержано, но зато Rym достигнет своего максимального значения, т.е.
Таким образом предложенный двигатель является типовым и является компонентом многоканального двигателя.

Формула изобретения

1. Двигатель, содержащий камеру сгорания со свечой зажигания, выхлопным и впускным клапанами, систему подготовки и подачи топлива, пневмомагистраль с клапанами, ресивер и газопровод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гидравлическую камеру, расположенную ниже уровня воды с датчиком заполнения водой, гидроклапаном и сопловым агрегатом, а также компрессионную камеру с разделителем и всасывающим клапаном и электронно-логический блок управления, при этом пневмомагистраль содержит редуктор давления, а гидравлическая камера сообщается с рубашкой охлаждения камеры сгорания через охладительный трубопровод с вентилем и гидроэлектрогенератором и компрессионной камерой через компрессионный трубопровод, а система подготовки и подачи топлива состоит из карбюратора с педалью управления, подсоединенного к компрессионной камере с всасывающим клапаном через обратный клапан ресивера с датчиком давления, клапаном и редуктором давления, а также топливного бака с датчиком наличия топлива, а электронно-логический блок управления имеет электрическое соединение с датчиком давления в ресивере, датчиком наличия топлива, датчиком давления в гидравлической камере, пультом управления, ключом зажигания, соединенным с аккумуляторной батареей и зарядным устройством с гидроэлектрогенератором, а также с педалью управления карбюратором, сопловым агрегатом и гидроклапаном.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что сопловой агрегат выполнен в виде четырех сопел, снабженных управляемыми створками-дросселями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5