Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с гидропневмопередачей
Изобретение относится к области моторостроения, а именно к конструкциям поршневых двигателей внутреннего сгорания, и предназначено для широкого использования во всех устройствах, приводимых в движение или выполняющих другую работу с помощью двигателей внутреннего сгорания. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с гидропневмопередачей, включает блок цилиндров, в которых оппозитно размещены рабочие поршни с образованием подпоршневых полостей, к блоку присоединены корпуса золотниковой продувки цилиндров и компрессор с пневмопоршнем. Золотниковая система продувки цилиндров выполнена на штоке в виде двух пар глухих каналов одинаковой глубины с возможностью их размещения внутри ее корпусов и цилиндров двигателя. Двусторонняя реактивная турбина установлена в центральной полости блока между рабочих поршней с возможностью зацепления ее зубчатого обода с шестерней вала отбора мощности, и вместе с пневмопоршнем - на одном горизонтальном штоке. Внутренняя полость турбины непосредственно сообщена с подпоршневыми полостями рабочих поршней, что снижает гидравлические потери. В каждую подпоршневую полость рабочих поршней по каналам в блоке, помимо жидкого рабочего тела из гидромагистрали, дополнительно поступает сжатый в компрессоре воздух. После регистрации давления рабочего тела в полости турбины, изменяют подачу жидкости электрогидронасосом и/или регулятором пневмоаккумулятора уровня давления воздуха, обеспечивая регулирование плотности рабочего тела. Путем изменения впрыскиваемого форсунками топлива, изменяют скорость движения рабочего тела определенной плотности, получают крутящий момент и угловую скорость, равную величине нагрузки на выходном валу, добиваясь повышения эффективного КПД двигателя при работе на переменных нагрузках.
Изобретение относится к области моторостроения, а именно к конструкциям поршневых двигателей внутреннего сгорания, и предназначено для широкого использования во всех устройствах, приводимых в движение или выполняющих другую работу с помощью двигателей внутреннего сгорания.
Известен многоцилиндровый свободнопоршневой двигатель, содержащий симметрично расположенные по окружности периферийные рабочие цилиндры с поршневыми группами и жестко связанный с ними центральный цилиндропоршневой блок, выполненный в виде замкнутого бака с турбожидкостью, а вращательная машина выполнена в виде одной гидротурбины двухстороннего действия, которая выполнена в виде двух пропеллерных турби. (а.с. СССР №1023123, F 02 B 71/04, опубл. 15.06.1983 г. в бюл. №22)
В силу того, что неподвижная турбина преобразует возвратно-поступательное движение бака с жидкостью в одностороннее вращение вала, а бак с жидкостью и жестко связанные с ним элементы поршневой группы обладают большой массой, потребуются значительные усилия на преодоление возникающих в этом случае инерционных сил, что неизбежно приведет к скоростным потерям возвратно-поступательного движения, снижению мощности и КПД двигателя.
Известен двухтактный свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания содержащий: корпус с оппозитными цилиндрами и размещенными в них поршнями, образующими наружные двигательные полости, и внутреннюю рабочую полость силовой передачи, снабженной двумя реактивными турбинами с осевой подачей рабочего тела, которые выполнены заодно с полым валом и размещены в средней части корпуса соосно с цилиндрами, магистрали и клапана, управляющие потоком рабочего тела. (патент РФ №2013602, F 02 B 71/04, опубл. 30.05.1994 г. в Бюл. №10),
Положительным в данном известном двигателе является попытка конструктивного выполнения непосредственной подачи рабочей жидкости (газа) из подпоршневого пространства в турбины. Но в силу того, что поршни штоком не связаны и совершают возвратное движение под давлением поступившей жидкости (газа), будет возникать: турбулентность в зонах перехода подпоршневого пространства в полый вал, гидродинамическое сопротивление в соплах турбины и потери в подкожуховом
пространстве. Кроме того, наличие двух турбинных колес усложнит конструкцию двигателя.
Известен двигатель внутреннего сгорания, который состоит из герметичного корпуса, внутри которого размещены две периферийные и центральная полости, периферийные полости выполнены в виде цилиндров с головками, в каждом цилиндре размещен поршень с возможностью возвратно-поступательного движения, поршни жестко связаны друг с другом. Каждый из поршней делит цилиндры на камеру сгорания и камеру подачи, камера подачи заполнена жидким рабочим телом. Центральная полость сообщена с каждой камерой подачи жидкого рабочего тела посредством каналов подачи в форме воронки к глухим отверстиям махового колеса и каналов возврата жидкого рабочего тела в камеру подачи, снабженных обратным клапаном.
Для преобразования кинетической энергии возвратно-поступательного движения во вращательное в центральной полости размещено маховое колесо, а его обод снабжен глухими отверстиями, которые размещены по ободу махового колеса под острым углом к его образующей по ходу вращения махового колеса, а профиль отверстий выполнен с возможностью создания тангенциального направления движения рабочего тела. (патент РФ №2136926, F 02 B 71/04, опубл. 10.09.1999 г. в Бюл. №25).
Этот двигатель характеризуется относительной простотой конструкции, отсутствием быстроизнашивающихся конструктивных узлов. Но в силу того, что в одномоментном восприятии нагрузки от гидропотока участвуют лишь два-три верхних и столько же нижних глухих отверстия махового колеса, сопряженных с полостью каналов подачи жидкости, в сочетании со значительной массой махового колеса, возникнет большое гидродинамическое сопротивление и потери энергии потока, что неизбежно ведет к низкому КПД.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является двигатель внутреннего сгорания с гидравлической передачей, в котором, с целью повышения экономичности на переменных режимах, в блоке спаренных цилиндров размещены поршни, разделяющие внутренний объем цилиндров на камеры сгорания и подпоршневые полости, сообщенные между собой при помощи кольцевой гидромагистрали с обратными клапанами, и который снабжен органами газораспределения и топливоподачи, подключенными через сервоприводы к блоку управления. В каждом блоке спаренных цилиндров этого двигателя для преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего тела имеются две лопастные турбины, приводящиеся в движение вытесняемым из подпоршневого пространства рабочим телом. Турбины расположены на разных валах и передают усилие
на общий вал с помощью шестеренчатой передачи. (а.с. СССР №672362, F 02 B 71/04, опубл. 05.07.1979 г. в Бюл. №25)
К недостаткам этой конструкции можно отнести размещение в одном блоке спаренных цилиндров двух турбин на разных валах, в результате чего турбины нагружаются попеременно: если одна турбина, воспринимая усилие, передает его на рабочий вал, то другая в это время вращается вхолостую и оказывает тормозящее воздействие, тем большее, чем больше диаметр турбины, скорость ее вращения и суммарная площадь лопастей. Причем, во вращающихся лопастных турбинах математическое ожидание угла падения потока жидкости (газа) на лопасти турбины отлично от нормали, что является еще одной причиной снижения КПД двигателя.
Заявленная полезная модель «Двигатель внутреннего сгорания с гидропневмопередачей» решает задачу усовершенствования существующих методов изменения внешних параметров двигателя: крутящего момента и угловой скорости вращения вала отбора мощности в достаточно широком диапазоне.
Достигаемый при этом технический результат состоит в повышении эффективного КПД двигателя при работе на переменных нагрузках и уменьшении гидравлических потерь в турбине.
Указанный технический результат при осуществлении полезной модели достигается в первую очередь тем, что заявляемый двухтактный двигатель внутреннего сгорания с гидропневмопередачей включает герметичный блок цилиндров, в которых оппозитно размещены рабочие поршни, разделяющие внутренний объем каждого цилиндра с образованием подпоршневых полостей. Известным преимуществом ДВС с оппозитным расположением поршней является, как правило, повышение износостойкости цилиндров за счет отсутствия коленчатых валов и шатунов, из-за давления последних на стенку цилиндра, он приобретает эллипсообразную форму, требующую его расточки.
Известно использование турбины как средства преобразования кинетической энергии возвратно-поступательного движения каждого рабочего поршня ДВС в давление жидкости в его подпоршневой полости, поступающей туда по гидромагистрали из источника с жидким рабочим телом, а затем механической энергии потока жидкости в энергию вращающегося вала отбора мощности.
Известное применение одной реактивной турбины с высоким КПД позволяет улучшить характеристики заявляемого двигателя. Благодаря ее размещению в центральной полости блока и выполнению турбинного колеса с двусторонними зеркально-симметричными относительно плоскости вращения спиральными профилями
лопастей, а также наличию симметричных направляющих корпусов обеспечено однонаправленное вращение турбины.
Известно использование сжатого в компрессоре воздуха для успешной петлевой продувки цилиндров.
За счет известной жесткой взаимной установки рабочих поршней, турбинного колеса и пневмопоршня компрессора на одном горизонтальном штоке, соосно цилиндрам, и жесткого присоединения к блоку с обеих сторон корпусов золотниковой продувки цилиндров, осуществляется взаимосвязанное изменение фаз газораспределения и топливоподачи путем контроля за движением горизонтального штока через многопозиционный блок датчиков, сигналы от которого поступают на пульт управления двигателем.
Одна из основных существенных особенностей заявляемого ДВС с гидропневмоподачей, в отличие от прототипа, заключается в том, что в каждую подпоршневую полость рабочих поршней по каналам в каждой из половин блока, помимо жидкого рабочего тела из гидромагистрали, дополнительно поступает сжатый в компрессоре воздух из пневмомагистрали, благодаря чему образуется в подпоршневом пространстве рабочее тело с разной величиной его плотности.
Считывая на приборе пульта управления двигателем показания датчика регистрации давления рабочего тела в полости турбины, скорости вращения и момента внешних сил на валу отбора мощности блок сравнения автоматически и/или оператор вручную выдают команды изменения подачи жидкости электрогидронасосом и/или уровня давления воздуха в пневмомагистрали регулятором пневмоаккумулятора, обеспечивая таким образом регулирование плотности рабочего тела. Путем изменения с пульта управления двигателем количества впрыскиваемого форсунками топлива, которое, как известно, приводит к изменению скорости движения рабочего тела, при определенной плотности последнего, получаем на выходном валу крутящий момент и угловую скорость, равную величине нагрузки на нем.
Следующим существенным отличием от прототипа является то, что внутренняя полость турбины непосредственно сообщена с подпоршневыми полостями рабочих поршней благодаря тому, что вертикальные торцы корпусов турбины примыкают к тем плоскостям блока, которые вместе с нижней плоскостью рабочих поршней определяют объем их подпоршневых полостей. В результате до минимума снижены аэрогидродинамические потери давления потока рабочего тела, что вместе с большой площадью рабочей поверхности спиральных лопастей турбины, а значит - их
незначительным аэрогидродинамическим сопротивлением, существенно повышает КПД двигателя.
Блок цилиндров выполнен из двух одинаковых половин, что облегчает его технологическое выполнение, получение достаточной точности расточки цилиндров и посадочных мест подшипников турбины, сборки его половин с необходимой герметичностью всего блока.
Известное размещение в двухтактных двигателях впускных окон для подачи горючей смеси, выпускных окон для отвода отработавших газов и перепускных окон в стенках цилиндров технологически выполнить достаточно сложно, по сравнению с заявляемой золотниковой системой продувки цилиндров. Она выполнена на штоке, в виде двух пар глухих каналов одинаковой глубины, при этом впускной канал системы обращен к пневмомагистрали подвода сжатого воздуха из пневмоаккумулятора, а расположенный напротив выпускной канал - соответственно к магистрали выпуска отработавших газов из цилиндра двигателя. Выполнение впускного канала большей длины обеспечивает необходимое перекрытие для достаточной степени продувки и наполнения цилиндров.
Взаимным размещением на горизонтальном штоке впускных и выпускных каналов продувки, рабочих цилиндров и пневмопоршня, в сочетании с достаточным объемом цилиндрических внутренних отверстий внутри каждого корпуса золотниковой системы продувки цилиндров, обеспечена возможность размещения каналов золотниковой продувки внутри ее корпусов при положении рабочего поршня в верхней мертвой точке и внутри цилиндров двигателя - при его положении в нижней мертвой точке. Благодаря этому, находящийся в противофазе рабочий поршень будет способствовать перетеканию рабочего тела через окна в турбине («подсасывать»).
На фиг.1 изображена общая схема построения двигателя (системы и механизмы, являющиеся составной частью двигателя, но не вносящие дополнительных разъяснений в существо полезной модели показаны условно)
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 (золотниковая схема впуска и выпуска горючей смеси).
На фиг.3 - вид В на фиг.1 (конструкция турбины)
Заявляемый двигатель содержит герметичный блок, состоящий из двух его одинаковых половин 1 и 2, содержащих соответственно цилиндры 3 и 4, на верхней плоскости которых размещены два корпуса 5 и 6 золотниковой системы продувки этих цилиндров. Слева от корпуса 5 установлено пусковое устройство 7 двигателя, а справа от корпуса 6 - компрессор 8.
В цилиндрах 3 и 4 оппозитно размещены рабочие поршни 9 и 10, а в цилиндре компрессора 8 - пневмопоршень 11, причем все поршни 9, 10 и 11 соединены одним
горизонтальным штоком 12. Взаиморасположение поршней на нем обеспечивает следующую зависимость: когда рабочий поршень 9 находится в нижней мертвой точке (далее н.м.т.) цилиндра 3, в это время рабочий поршень 10 - в верхней мертвой точке (далее в.м.т.) цилиндра 4, а пневмопоршень 11 - в крайнем положении относительно цилиндра компрессора.
В плоскости соединения половин 1 и 2 блока, на двух подшипниках 13 с уплотнительными кольцами 14 установлена турбина, состоящая из двухстороннего турбинного колеса 15 со спиральными лопастями 16 и окнами 17 (см. фиг.3) и двух одинаковых частей 18 и 19 ее корпуса, и примыкающая своими вертикальными торцами непосредственно к подпоршневым полостям цилиндров.
Турбинное колесо 15 и части 18 и 19 корпуса жестко соединены между собой болтами 20, а турбинное колесо 15 с уплотнительными кольцами 21 установлено по скользящей посадке на штоке 12. Обод 22 турбины выполнен в виде зубчатого венца, находящегося в зацеплении с шестерней 23 вала 24 отбора мощности, размещенного в блоке двигателя параллельно штоку 12.
Кривошипно-шатунный механизм 25 пускового устройства 7 с одной стороны шарнирно подсоединен к штоку 12, а с другой - соединен с маховым колесом 26, к которому в свою очередь наверху подсоединен электростартер 27, а внизу - датчик 28, фиксирующий угол поворота маховика и положение рабочих поршней.
Воздушная впускная магистраль 29 через обратные клапаны 30 и 31 подведена в цилиндр компрессора 8, откуда сжатый воздух через обратные клапаны 32 и/или? 33 по нагнетательной магистрали 34 поступает в пневмоаккумулятор 35. Из пневмоаккумулятора сжатый воздух поступает: через регулятор давления 36 соответственно в корпус 5 или 6 золотниковой системы продувки цилиндров, а через регулятор давления 37 в подпоршневую полость цилиндра 3 или 4.
В свою очередь, для подачи рабочей жидкости гидрозаборником 38 из гидравлической камеры 39 блоков 1 и 2 двигателя в эти же подпоршневые полости (или слива из них), установлены электрогидронасосы 40 и 41.
На штоке 12 выполнены две пары глухих каналов одинаковой глубины с возможностью их размещения внутри корпусов 5 и 6, а также цилиндров 3 и 4. При этом один из них - впускной 42 обращен к магистрали 43 подвода сжатого воздуха из пневмоаккумулятора 34, а расположенный на штоке напротив впускного канала - выпускной 44 - соответственно к магистрали 45 выпуска отработавших газов (далее ОГ) из цилиндра двигателя, причем длина впускного канала больше длины выпускного.
В корпусе 5 и 6 золотниковой системы продувки размещены: топливная форсунка 46 системы впрыска топлива и свеча зажигания 47 системы зажигания, причем обе системы соединены с датчиком 28 фиксации угла поворота махового колеса и положения рабочих поршней.
На пульте управления двигателем (далее ПУД) размещены регистрирующие приборы:
- прибор 48 - давления в полости турбины с датчика 45,
- прибор 49 - фактической скорости вращения вала отбора мощности с датчика 50,
- прибор 51 - фактического момента от внешних сил на валу отбора мощности с датчика 52.
Работа двигателя осуществляется в следующей последовательности.
При поступлении электросигнала с ПУД на электростартер 27, он приводит во вращательное движение (по стрелке) маховое колесо 26 и кривошипно-шатунный механизм 25. Благодаря шарнирному соединению шатуна его вращательное движение преобразуется в возвратно-поступательное движение штока 12 влево вместе с рабочим поршнем 9 от его н.м.т., с рабочим поршнем 10 - от его в.м.т., а благодаря движению пневмопоршня 11 воздух в цилиндре компрессора 8 сжимается и по нагнетательной магистрали 34 поступает в пневмоаккумулятор 35.
Из пневмоаккумулятора сжатый воздух через регулятор 36 поступает по магистрали 43 в корпус 5 золотниковой системы продувки цилиндров и далее, пройдя по каналу 42 в штоке 12 и произведя продувку цилиндра 3 двигателя, вместе с ОГ по каналу 44 уходят в магистраль 45 выпуска ОГ двигателя. Продувка будет происходить до тех пор, пока кромка В выпускного канала 44 не переместится за верхнюю плоскость цилиндра 3. За счет продолжающего поступать по каналу 42 сжатого воздуха в цилиндре 3 создается предварительное давление, величина которого ограничена моментом достижения кромкой А впускного канала 42 верхней плоскости цилиндра 3.
При этом датчик 28 угла поворота махового колеса 26 системы запуска 7 двигателя фиксирует заданный угол поворота маховика и подает сигнал на впрыск топлива в камеру сгорания цилиндра 3. Дальнейшее перемещение рабочего поршня 9 влево до в.м.т. обеспечивает необходимое сжатие топливовоздушной смеси и по сигналу с датчика 28 положения поршня срабатывает свеча зажигания. Происходит воспламенение горючей смеси, и поршень 9 под действием возникающего давления перемещается в н.м.т., выдавливает рабочее тело (жидкость и воздух) из подпоршневой полости непосредственно в межлопастное пространство левой части турбинного колеса 15 и корпусом 18. Одновременно реактивная струя по окнам 16 попадает между лопастями
правой части турбинного колеса 15 и корпусом 19, и за счет зеркально-симметричного профиля сечения лопастей, а также симметричных корпусов турбины и благодаря скачку давления в плоскости турбины рабочего тела приводит турбинное колесо в однонаправленное вращение.
За счет оппозитного расположения рабочих поршней, в то время как рабочий поршень 9 перемещается от в.м.т. к н.м.т., выдавливая рабочее тело из своей подпоршневой полости на турбину, рабочий поршень 10 в этот момент находится с ним в противофазе, перемещаясь вправо - от н.м.т. к в.м.т., чем способствует истеканию рабочего тела. При движении рабочего тела вдоль зеркально-симметричного спирального профиля лопастей турбинного колеса возникает тангенциальная составляющая сила крутящего момента, которая приводит турбинное колесо в однонаправленное вращательное движение.
Вращение турбины, благодаря зубчатому зацеплению ее обода 21с шестерней 22, передается на вал 23 отбора мощности.
На втором этапе процесс происходит аналогично.
Инерционной массы махового колеса 26 пускового механизма 7 достаточно для исключений возможной остановки ДВС в случае, когда рабочий поршень 9 создает компрессию, а на рабочий поршень 10 - уменьшается давление за счет выхлопа ОГ. Таким образом, шатун 25 пускового механизма «доталкивает» рабочие поршни до н.м.т и в.м.т.
При ручном управлении двигателя на основании данных приборов 48, 49, 51 оператор с пульта управления двигателем подает команды:
- на регулятор 36 давления для обеспечения необходимой продувки рабочих цилиндров 3 и 4 через магистраль 43,
- на регулятор давления 37 для обеспечения давления воздуха в полости турбинного колеса,
- в систему впрыскивания топлива, для обеспечения необходимого количества топлива через форсунку 46,
- на электроприводы электронасосов 40 и 41 для подачи рабочей жидкости в подпоршневое пространство.
При автоматизированном управлении двигателем сигналы с датчиков 45, 50 и 52 поступают на корректирующий блок 53 сравнения и затем на пульт управления двигателем, который выдает команды в системы впрыскивания и зажигания, регуляторы 36 и 37 давления сжатого воздуха и гидронасосы 40 и 41.
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с гидропневмопередачей, который снабжен пусковым устройством и органами систем впрыскивания топлива и зажигания, подключенными к корректирующему блоку сравнения и пульту управления двигателем с приборами, датчиками и клапанами, и включает герметичный блок цилиндров, в которых оппозитно размещенные рабочие поршни разделяют их внутренний объем с образованием подпоршневых полостей, сообщенных гидромагистралью с жидким рабочим телом, а к блоку с обеих сторон жестко присоединены корпуса золотниковой продувки цилиндров, и компрессор с пневмопоршнем, который установлен на одном горизонтальном штоке с рабочими поршнями и реактивной турбиной двустороннего действия, которая размещена в центральной полости блока с возможностью зацепления ее зубчатого обода с шестерней вала отбора мощности, отличающийся тем, что внутренняя полость турбины непосредственно сообщена с подпоршневыми полостями рабочих поршней, каждая из которых дополнительно соединена с пневмомагистралью со сжатым воздухом, при этом в каждой из одинаковых половин блока цилиндров выполнены каналы гидромагистрали и пневмомагистрали, причем гидромагистраль снабжена электрогидронасосами и гидрозаборником, размещенным в нижней части блока, и пневмомагистраль снабжена пневмоаккумулятором с регуляторами давления; а золотниковая система продувки цилиндров выполнена на штоке в виде двух пар глухих каналов одинаковой глубины с возможностью их размещения внутри ее корпусов и цилиндров двигателя, при этом впускной канал обращен к пневмомагистрали подвода сжатого воздуха из пневмоаккумулятора, а расположенный напротив выпускной канал, соответственно, к магистрали выпуска отработавших газов из цилиндра двигателя, причем длина впускного канала больше длины выпускного.
