Двигатель внутреннего сгорания с гидравлическим приводом

 

Использование в энергетике и транспорте. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндры, размещенные в них поршни со штоками и кривошипно-шатунный механизм. Подпоршневые полости цилиндров используются в качестве рабочих полостей гидронасоса, включенного в гидравлическую схему силового привода нагрузки. 5 ил.

Изобретение касается конструкций двигателей внутреннего сгорания, в которых средством привода силовых агрегатов является гидравлическая жидкость. Такой двигатель может быть использован как в транспортных средствах для привода колес, так и в стационарных установках для привода различных силовых агрегатов.

Известны двигатели внутреннего сгорания с гидравлическим приводом, содержащие цилиндры, размещенные в них поршни со штоками, гидроаккумуляторы и систему распределения гидравлической жидкости.

Недостатками двигателя, выбранного в качестве прототипа, являются 1) плохие эксплуатационные параметры: высокая неравномерность давления и подачи жидкости к потребителю ввиду большого перепада давления в верхней и нижней мертвых точках; сильная зависимость давления и подачи жидкости от внешней температуры, сложность обеспечения стабильности этих параметров при низких внешних температурах и невязких жидкостях, что обусловлено применением клапанной системы распределения жидкости; 2) низкая топливная экономичность двигателя с гидроприводом ввиду повышенных затрат на преодоление гидравлического сопротивления клапанной системы распределения жидкости и гидравлических потерь в трубопроводах, что обусловлено невысоким рабочим давлением жидкости, подаваемой к потребителю; 3) большая масса всего гидропривода ввиду низкого рабочего давления жидкости.

Целью изобретения является повышение топливной экономичности двигателя, улучшение его эксплуатационных параметров, упомянутых выше, а также снижение веса гидропривода.

Указанная цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с гидравлическим приводом, содержащем цилиндры, размещенные в них поршни со штоками, гидроаккумуляторы и систему распределения гидравлической жидкости, штоки поршней связаны между собой через кривошипно-шатунный механизм, а в системе распределения гидравлической жидкости имеется распределитель с жестко закрепленным на коленчатом валу вращающимся диском, в котором выполнено два дугообразных окна соответственно высокого и низкого давления. При этом диск расположен между двумя неподвижными корпусными элементами, один из которых снабжен равномерно расположенными по окружности окнами, соединенными с соответствующими подпоршневыми полостями, а второй двумя кольцевыми коллекторами соответственно высокого и низкого давления, соединенными с соответствующими магистралями. Угловой размер окна высокого давления в диске больше или равен угловому шагу между магистралями высокого давления и по величине соответствует фазе высокого давления индикаторной диаграммы двигателя, а угловой размер окна низкого давления равен оставшейся до 360^о части индикаторной диаграммы, причем на участках стыка фаз высокого и низкого давления в окнах диска предусмотрены переходные зоны.

Осуществление сгорания топлива при постоянном давлении, что предлагается в изобретении, позволяет повысить термический КПД двигателя до 15% а дополнительное применение эффективного охлаждения головки поршня позволяет повысить топливную экономичность за счет снижения потерь на трение в цилиндропоршневой группе. В целом это дает значительное увеличение удельной мощности.

Кроме того, осуществление сгорания топлива при постоянном давлении позволяет осуществить форсирование по мощности двигателя на 100% посредством турбоподдува, что также ведет к повышению удельной мощности и топливной экономичности.

Разделение подачи жидкости на две фазы позволяет снизить пульсации давления и неравномерность подачи рабочей жидкости к потребителю и значительно повысить величину рабочего давления жидкости, а распределение жидкости при помощи диска с пропускными окнами позволяет снизить потери на гидравлическое сопротивление, во много раз меньшее сопротивления окон в отличие от клапанов. Кроме того, это позволит расширить диапазон рабочих жидкостей за счет более вязких, повысить работоспособность в условиях низкой температуры окружающей среды.

Преимуществом дисковой системы распределения в отличие от других являются простота эксплуатации и отсутствие необходимости какого-либо ремонта, обслуживания и регулировок.

На фиг.1 показана структурная схема двигателя внутреннего сгорания с гидроприводом в четырехцилиндровом исполнении, с обозначением направления движения жидкости по гидролиниям; на фиг.2 схема коленчатого вала (вид по стрелке А); на фиг.3 сечение по Б-Б и В-В на фиг.1; на фиг.4 эскиз распределительного диска с обозначением фазовых углов (сечение Г-Г на фиг.1); на фиг.5 индикаторные диаграммы предлагаемого двигателя и прототипа.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания с гидравлическим приводом состоит из цилиндров 1-4 (фиг.1) и размещенных в них поршней, разделяющих объемы цилиндров на рабочую камеру I и гидравлическую подпоршневую полость II. Каждый из поршней снабжен штоком 5, а гидравлическая система двигателя содержит гидромотор 6, гидроаккумуляторы 7 и 8, подпиточный насос 9 и предохранительный клапан 10, а также гидролинии 11 высокого и низкого 12 давления.

В соответствии с целью изобретения штоки 5 поршней двигателя соединены между собой через кривошипно-шатунный механизм с коленвалом 13, а система распределения гидравлической жидкости содержит узел 14 распределителя (на фиг. 1 он условно показан в увеличенном масштабе) с вращающимся диском 15, жестко закрепленным на коленчатом валу и расположенным между двумя неподвижными корпусными элементами 16 и 17. В корпусном элементе 16 (см. фиг.3 и 4) по окружности через каждые 90^о выполнены каналы 18 с выемками 19 со стороны, сопрягающейся с распределительным диском 15, а в корпусном элементе 17 выполнены каналы 20 и 21, сообщающиеся с гидролиниями 11 и 12.

В распределительном диске 15 (см.фиг.4) выполнено дугообразные окна 22 и 23 высокого и низкого давления соответственно. Угловой размер окна 22 высокого давления равен угловому шагу между магистралями высокого давления (в данном примере четырехцилиндрового двигателя), т.е. 90^о и по величине соответствует фазе высокого давления индикаторной диаграммы двигателя. Угловой размер окна 23 низкого давления равен оставшейся до 360^о части индикаторной диаграммы (в данном примере 270^о). На участках стыка фаз высокого и низкого давления в окнах диска 15 предусмотрены переходные зоны а,б,в,г, предотвращающие образование гидроударов. Каждое из четырех окон 18 корпусного элемента 16 соединено с соответствующей подпоршневой полостью, а корпусный элемент 17 снабжен двумя кольцевыми коллекторами высокого 24 и низкого 25 давления. Через каналы 20 и 21 каждый из этих коллекторов сообщается с соответствующей гидролинией 11 и 12.

Предлагаемый вариант четырехцилиндрового двигателя заключается в следующем.

При воспламенении топлива в камерах сгорания цилиндров 3 и 1 поршни этих цилиндров начинают движение вниз, вытесняя гидравлическую жидкость из подпоршневых полостей в канал 26 и одновременно через штоки поршней передавая усилие на кривошипно-шатунный механизм коленвала 13.

Гидравлическая жидкость, вытесняемая из подпоршневых полостей цилиндров 1 и 3 под высоким давлением через окна 18 в корпусном элементе 16, окно 22 в распределительном диске 15, коллектор 24, канал 20 в корпусном элементе 17 и гидролинию 11, поступает в гидроаккумулятор 7 повышенного пневмообъема, обеспечивающий выравнивание колебаний давления и подачи жидкости, а также аккумулирующий энергию начала вспышки, возвращая ее в гидролинию в течение более продолжительного времени. Далее жидкость поступает к потребителю управляемому гидромотору 6 (их может быть и несколько) и сливается в гидробак.

При повороте распределительного диска 15 на фазовый угол подпоршневые полости цилиндров 2 и 4 сообщаются с гидролинией 12 низкого давления (через канал 27, окна 18 и 23, коллектор 25 и канал 21). Гидролиния 12 низкого давления сообщена с гидроаккумулятором 8 низкого давления. Через окно 23 распределительного диска 15 жидкость под давлением поступает на заполнение в подпоршневые полости цилиндров 2 и 4, при этом недостающее количество жидкости для заполнения подпоршневых полостей подается подпиточным насосом 9, приводимым от коленвала 13 двигателя. Жидкость под давлением совершает работу сжатия свежего заряда топливно-воздушной смеси, разгружая кривошипно-шатунный механизм. Излишки жидкости, подаваемой подпиточным насосом, перепускаются в гидробак через предохранительный клапан 10.

Поочередным сообщением подпоршневых полостей всех цилиндров двигателя с гидролиниями 11 и 12 осуществляется работа всего двигателя.

На фиг.5 буквой Д обозначена диаграмма изменения давления в камере сгорания двигателя-прототипа, Е диаграмма изменения давления в камере сгорания предлагаемого двигателя; Ж диаграмма изменения давления рабочей жидкости в подпоршневой полости. По вертикальной оси (Р) указана величина давления в рабочих цилиндрах, по горизонтальной ход поршня (S) либо подача жидкости (Q), значение которой пропорционально ходу поршня. Сокращение ВМТ обозначает верхнюю мертвую точку, НМТ нижнюю мертвую точку.

Использование изобретения может повысить тепловой КПД двигателя в целом на 15% Кроме того, в случае применения турбонаддува возможно повышение мощности двигателя на 100% без утяжеления цилиндропоршневой группы.

Формула изобретения

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ, содержащий цилиндры, размещенные в них поршни со штоками, гидроаккумуляторы и систему распределения гидравлической жидкости, отличающийся тем, что штоки поршней связаны между собой через кривошипно-шатунный механизм, а система распределения гидравлической жидкости включает распределитель с жестко закрепленным на коленчатом валу вращающимся диском, в котором выполнено два дугообразных окна соответственно высокого и низкого давления, при этом диск расположен между двумя неподвижными корпусными элементами, один из которых снабжен равномерно расположенными по окружности окнами, соединенными с соответствующими подпоршневыми полостями, а другой двумя кольцевыми коллекторами соответственно высокого и низкого давления, соединенными с соответствующими магистралями, угловой размер окна высокого давления в диске равен угловому шагу между магистралями высокого давления и по величине соответствует фазе высокого давления индикаторной диаграммы двигателя, угловой размер окна низкого давления равен оставшейся до 360^o части индикаторной диаграммы, а на участках стыка фаз высокого и низкого давления в окнах диска предусмотрены переходные зоны.

РИСУНКИ

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