СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ДЕМИДЧЕНКО - ПОПОВА Российский патент 1996 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к теплосиловым установкам, в частности к способам преобразования термохимической энергии топлива в работу, и может быть использовано при создании систем транспортного и стационарного назначения.

Известен экономичный лодочный гидрореактивный двигатель, в котором вода заменяет поршень с шатуном и коленчатым валом, позволяющий напрямую преобразовать тепловую энергию продуктов сгорания в кинетическую энергию реактивной струи, создающей тягу. Двигатель является экологически чистым из-за отсутствия смазочных масел в продуктах сгорания и более полного окисления горючих компонентов топлива.

Недостатком этого двигателя является то, что он не может быть использован на транспорте или в качестве стационарного двигателя внутреннего сгорания, так как будучи гидрореактивным он конструктивно оформлен для случая прямоточного движения воды.

Известным современным транспортным теплосиловым установкам (прототип) с гидравлической передачей, включающим блок цилиндров, в которых размещены поршни, разделяющие объемы цилиндров на камеры сгорания и гидравлическим подпоршневые полости, сообщаемые между собой кольцевой магистралью, органы газораспределения и топливоподачи, подключенные к блоку управления, характерно противоречие между тепловым двигателем и трансмиссией, выражающееся в том, что неравномерность работы трансмиссии прямым образом отражается на экономике двигателя. Экономичному двигателю необходимо работать в оптимально стационарном режиме, но трансмиссии известных типов не могут его обеспечить. Поэтому любая нестабильность в эксплуатации транспортного двигателя резко в 1,5 раза снижает его КПД.

Известные силовые установки объемного сжатия и расширения транспортных средств обладают недостатками, заключающимся в том, что режим работы двигателя внутреннего сгорания является дискретным, так как полностью определяется режимом движения транспортного средства; поршневые двигатели внутреннего сгорания работают с изохорным отводом теплоты; поршни, разделяющие объемы цилиндров, обеспечивают герметичность каждого из них, что связано с механической необратимостью и необходимостью использования масел в целях смазки и охлаждения, а следовательно, имеют низкий эффективный КПД и неэкологичны.

Технический результат изобретения повышение эффективного КПД и сокращение выбросов вредных веществ.

Технический результат достигается тем, что силовая установка транспортного средства дополнительно снабжена гидравлической турбиной холостого хода, объединенной общим валом с циркуляционным насосом, выходной патрубок которого сообщен с гидравлическими полостями цилиндров при помощи регулируемой заслонки, устанавливающей скорость подъема рабочей жидкости в соответствующем цилиндре и тем самым частоту процесса горения, что в свою очередь создает условия для оптимального постоянного режима работы двигателя, не зависящего от режима эксплуатации транспортного средства, при этом силовые турбины установки снабжены связанными между собой регулирующими запорными органами, с помощью которых регулируется мощность силовых турбин и турбины холостого хода, система пуска двигателя включает источник постоянного тока с электродвигателем, цилиндры двигателя выполнены разделенными по оси на две равные полости посредством плоской жесткой перегородки, перфорированной в своей нижней части, а поплавковый поршень выполнен пустотелым из металлических листов, подкрепленных ребрами жесткости, и снабжен прорезью по диаметру и перфорацией на верхнем листе.

На фиг. 1 приведена схема силовой установки транспортного средства с дизельным двигателем внутреннего сгорания; на фиг.2 и 3 продольный разрез по оси цилиндра двигателя с жесткой перегородкой, вид сбоку и разрез А-А на фиг.2.

Силовая установка транспортного средства содержит дизельный двигатель внутреннего сгорания с поплавковым поршнем, гидравлическую трансмиссию открытого контура и систему пуска двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания с поплавковым поршнем состоит из цилиндров 1 и 2, каждый из которых разделен на две равные полости 3, 4 и 5, 6 расположенной по оси цилиндра плоской жесткой перегородкой 7 и 8 соответственно протяженностью около 2/3 высоты цилиндра, сплошной в верхней части и протяженностью около 1/4 от высоты цилиндра и перфорированной в остальной нижней части, укрепленной в головках 9 и 10 цилиндров по образующей плоскости перегородки, а в днищах 11 и 12 цилиндров фиксацией периферийных опорных стоек 13, перегородок 7 и 8 с камерами сгорания 14-17, впускными 18, 19 и выпускными 20, 21 газовыми клапанами соответственно для впуска в камеру сгорания с целью продувки ее, воздуха с избыточным давлением не более 0,15 МПа от воздушного компрессора 22 и выпуска продуктов сгорания с продувочным воздухом в атмосферу, впускными 23, 24 и выпускными 25, 26 жидкостными клапанами, жестко соединенными штоками 27 и 28 соответственно для впуска рабочей жидкости в цилиндры из нагнетательной магистрали 29 и выпуска рабочей жидкости из цилиндров двигателя в магистраль 30 высокого давления, форсунками 31-34, размещенными на головках 9 и 10 цилиндров соответственно в левой и правой полостях 3, 4 и 5, 6 цилиндров, через которые вводится в камере сгорания 14, 15 и 16, 17 топливо от топливных насосов 35 и 36, датчиками, например, емкостного типа, верхнего 37 и 38, промежуточного 39 и 40 и нижнего 41 и 42 уровней жидкости для дачи информации о трех реперных уровнях жидкости в цилиндрах двигателя и передачи этой информации исполнительным органам 43-48, например, соленоидного типа, управляющими перемещением газовых и жидкостных клапанов.

Функции поплавкового поршня в цилиндрах двигателя выполняет рабочая жидкость, на поверхности которой для сглаживания пульсаций и уменьшения эффекта парообразования находятся круглые с прорезью по диаметру для перемещения по вертикали вдоль перегородок 7, 8 и ее опорных стоек как направляющих поплавки 49 и 50 малой высоты возможно с уплотнением, выполненные в случае отсутствия уплотнения, например, из двух металлических листов, верхний из которых перфорирован в 4-10 точках, соединенных большим числом ребер жесткости со свободным пространством, заполненным газом и общей плотностью, меньшей плотности рабочей жидкости.

Гидравлическая трансмиссия от крытого контура состоит из магистрали 51 низкого давления с ветвями 52 и 53, магистрали 30 высокого давления с ветвями 54 и 55 и нагнетательной магистрали 29, сообщающихся между собой через емкость 56, компенсирующую разность расходов, с воздушным патрубком и цилиндры двигателя, скорость наполнения гидравлического объема которых регулируется заслонкой 57 от управляемого элемента 58, расположенного в кабине транспортного средства, гидротурбины 59 холостого хода и маховика 60 с венцом для сглаживания пульсации в работе гидравлической турбины, объединенных общим валом 61, турбин 62 привода пары колес 63 или индивидуально каждого колеса транспортного средства, мощность которых как и турбины 59, регулируется управляемым элементом 64 из кабины транспортного средства через регулирующие вентили 65 и 66, фильтра 67 для очистки рабочей жидкости от возможных загрязнений, установленного на байпасной линии 68 низкого давления с диаметром не более 0,1 диаметра магистрали 51 низкого давления, радиатора 69 рекуперативного охлаждения рабочей жидкости вторичным теплоносителем, центробежного насоса 70 для подачи жидкости в цилиндры, соединенного общим валом 61 с турбиной 59, и ременной передачей 71 с валом 72 компрессора 22.

Система пуска двигателя выполнена из источника постоянного тока в виде аккумуляторной батареи 73 и электродвигателя 74 с шестерней 75, соединенных друг с другом замыкающим контактом выключателя 76, и управляемого элемента 77, расположенного в кабине транспортного средства.

Силовая установка транспортного средства работает следующим образом.

Пуск двигателя внутреннего сгорания осуществляется по стандартной схеме. По команде управления транспортным средством через управляемый элемент 77 от аккумуляторной батареи 73 включением замыкающего контакта выключателя 76 подается электрический ток на электрический двигатель 74 постоянного тока, шестерня 75 которого входит в зацепление с венцом маховика 60. Клапаны 18, 20, 23, 26 и регулируемая заслонка 57 при этом открыты, а клапаны 25, 19 и 21, 24 закрыты. Закрыт при этом и запорный орган 66 на ветви 53 низкого давления, а запорный орган 65 на ветви 52 низкого давления полностью открыт с помощью единого для них управляемого элемента 64, расположенного в кабине транспортного средства. Маховик 60 раскручивается и передает усилие входному центробежному насосу 70. Последний подает рабочую жидкость из цилиндра 2 по нагнетательной магистрали 29 в цилиндр 1, разделенный, начиная ориентировочно с 1/3 высоты цилиндра от его днища 11, перегородкой 7 на две полуцилиндрические полости 3 и 4, и затем в полости 3 и 4. По мере подъема рабочей жидкости в цилиндре 1 она смочит датчик 39 промежуточного уровня жидкости, который сработает от этого и через исполнительный орган 43 закроет клапаны 18 и 20. При дальнейшем заполнении цилиндра двигателя рабочая жидкость с поплавком 49 как поршень перемещается вверх, сжимая воздух до уровня, отмеченного датчиком 37 верхнего уровня жидкости, при котором температура сжатого воздуха достигает значения, превышающего температуру самовоспламенения топлива процесс политропного сжатия рабочего тела. Поплавок 49 сглаживает возможные пульсации на поверхности рабочей жидкости и уменьшает эффект ее парообразования. Опускание рабочей жидкости в цилиндре 2 при этом происходит до минимального уровня, заданного установленным на конкретной высоте нижней части цилиндра 2 датчиком 42 нижнего уровня жидкости, при достижении которого клапан 24 открывается, а жестко связанный с ним клапан 26 закрывается.

В момент контакта рабочей жидкости с датчиком 37 верхнего уровня жидкости последний срабатывает и через исполнительный орган 44 приводит в действие топливный насос 35 и одновременно с помощью исполнительного органа 45 перебрасываются клапаны 23 и 25, жестко связанные штоком 27, так что клапан 23 впуска оказывается закрытым, а клапан 25 выпуска рабочей жидкости открытым. Топливо подается через общий трубопровод к форсункам 31 и 32 в камеры сгорания 14 и 15, в которых топливо самовоспламеняется и сгорает при постоянном давлении рабочего тела процесс изобарного подвода теплоты к рабочему телу или процесс предварительного расширения рабочего тела. Пуск двигателя пpоизведен. При горении топлива поплавковый поршень под давлением продуктов сгорания начинает опускаться и рабочая жидкость выходит через клапан 25 в магистраль 30 высокого давления, разветвляющуюся на две ветви 54 и 55, первая из которых ведет рабочую жидкость на гидротурбину 59 холостого хода, а вторая на турбины 62 привода пары колес 63 транспортного средства. Причем каждое из колес 63 может иметь также индивидуальный привод. Гидротурбина 59 холостого хода предназначена для привода центробежного насоса 70, осуществляющего циркуляцию рабочей жидкости в открытом контуре.

С начала горения топлива начинается не только освобождение цилиндра 1 от рабочей жидкости, но и одновременное регулируемое наполнение цилиндра 2. Разность расходов рабочей жидкости при этом компенсируется емкостью 56 с дыхательным патрубком. По окончании изобарного горения в цилиндре 1 начинается процесс политропного расширения продуктов сгорания. Датчик 39 промежуточного уровня жидкости не реагирует на опускание рабочей жидкости в цилиндре 1. Рабочее тело продукты сгорания продолжают выталкивать поплавковый поршень из цилиндра 1 и рабочая жидкость с поплавком, возможно имеющим уплотнение, устремляется по-прежнему вниз рабочий ход двигателя, через клапан 25 в магистраль 30 высокого давления. Затем по ветви 54 высокого давления рабочая жидкость поступает на гидравлическую турбину 59 для привода циркуляционного насоса 70 и по ветви 55 высокого давления на гидравлические турбины 62 привода пары колес 63 транспортного средства.

Одновременно происходит наполнение цилиндра 2. При достижении рабочей жидкостью датчика 40 через исполнительный орган 46 происходит одновременное принудительное закрытие клапанов 19 и 21. Дальнейшее наполнение цилиндра приводит к сжатию воздуха в камерах сгорания 16 и 17.

Опускание эластичного поршня в цилиндре 1 происходит до момента, при котором давление дымовых газов в цилиндре становится равным давлению окружающей среды. Этому расчетному моменту соответствует определенный уровень в нижней части цилиндра 1, на котором установлен датчик 41 нижнего уровня жидкости. При отсутствии контакта с рабочей жидкостью датчик 41 нижнего уровня жидкости срабатывает и импульс от него поступает одновременно на исполнительные органы 43 и 45, с помощью которых соответственно принудительно открываются клапаны 18 и 20, клапан 25, жестко связанный с клапаном 23 штоком 27, закрывается.

Синхронно в цилиндре 2 по команде датчика 38 с помощью исполнительных органов 47 и 48 производится принудительное перемещение системы 24-28-26 в положение: клапан 24 закрыт, а клапан 26 открыт и включение топливного насоса 36. Последнее приводит к тому, что топливо подается по трубопроводу к форсункам 33 и 34 и затем в камеры сгорания 16 и 17, в которых топливо самовоспламеняется и сгорает при постоянном давлении рабочего тела процесс изобарного подвода теплоты к рабочему телу. При этом продукты сгорания в цилиндре 2 давят на поплавковый поршень и рабочая жидкость с поплавком 50 устремляется вниз процесс предварительного расширения рабочего тела. По окончании изобарного горения в цилиндре 2 развивается процесс политропного расширения продуктов сгорания. Датчик 40 промежуточного уровня жидкости не реагирует на опускание рабочей жидкости в цилиндре 2. Рабочее тело продукты сгорания продолжают выталкивать поплавковый поршень из цилиндра 2 и рабочая жидкость с поплавком устремляется по-прежнему вниз рабочий ход двигателя, через клапан 26 в магистраль 30 высокого давления. Затем по ветви 54 высокого давления рабочая жидкость поступает на гидравлическую турбину 59 для привода циркуляционного насоса 70 и по ветви 55 высокого давления на гидравлические турбины 62 привода пары колес 63 транспортного средства.

С момента начала горения топлива в цилиндре 2 начинается не только нерегулируемое освобождение от рабочей жидкости цилиндра 2, но и одновременное регулируемое наполнение через открытый жидкостной клапан 23 цилиндра 1. Разность расходов рабочей жидкости при этом компенсируется емкостью 56, сообщающейся с атмосферой. Скорость наполнения цилиндра 1, как и цилиндра 2 рабочей жидкостью, определяющая скорость подъема эластичного поршня, а следовательно, и частоту процессов горения топлива в соответствующих камерах сгорания двигателя регулируется заслонкой 57, приводимой в действие от управляемого элемента 58, расположенного в кабине транспортного средства.

Скоростью поочередного наполнения цилиндров регулируется частота процессов горения топлива в камерах сгорания двигателя и тем самым обеспечивается постоянный, единственно оптимальный режим работы двигателя, не зависящий от дискретного режима эксплуатации транспортного средства, т.е. потребляемой транспортным средством мощности. Возрастание потребляемой транспортным средством мощности можно скомпенсировать увеличением частоты однорежимного процесса горения топлива в камерах сгорания 14 и 15 двигателя за счет увеличения скорости наполнения рабочей жидкостью цилиндра 1 двигателя. Уменьшение потребляемой транспортным средством мощности компенсируется снижением частоты горения топлива в камерах сгорания 14 и 15 двигателя за счет уменьшения скорости наполнения рабочей жидкостью, в данный момент времени цилиндра 1 двигателя. Таким образом частота процесса однорежимного горения, а следовательно, мощность двигателя внутреннего сгорания регулируется заслонкой 57, управляемой органом 58, расположенным в кабине транспортного средства.

Одновременно с началом наполнения цилиндра 1 рабочей жидкости через впускной клапан 23 от компрессора 22, приводимого в действие ременной передачи 71 от циркуляционного насоса 70, сжатый до 0,15 МПа воздух через воздушный клапан 18 подается в камеру сгорания 14 и, обтекая перегородку 7, вытесняет продукты сгорания через клапан 20 в атмосферу процесс выпуска продуктов сгорания и пуска воздуха. Движение дымовых газов и воздуха из полости 3 в полость 4 происходит по траектории наименьшего сопротивления, т.е. по петле петлевая продувка камер сгорания 14 и 15. Петлевая продувка продолжается при заполнениях цилиндра 1 рабочей жидкостью на 1/3 его высоты от днища 11. Начиная с этого уровня и при дальнейшем подъеме рабочей жидкости, продувка происходит через перфорирующие перегородки отверстия (фиг.2). По достижении рабочей жидкостью уровня, на котором установлен датчик 39 промежуточного уровня, от контакта последнего с рабочей жидкостью он срабатывает и через исполнительный орган 43 принудительно закроются воздушный 18 и газовый 20 клапаны. Продувка окончена.

При дальнейшем заполнении цилиндра 1 двигателя рабочая жидкость с поплавком 49, имеющим уплотнение, как поршень перемещается вверх и сжимает оставшийся от продувки в камерах 14 и 15 воздух процесс политропного сжатия воздуха. При контакте рабочей жидкости с датчиком 37 верхнего уровня жидкости последний срабатывает и через исполнительные органы 44 и 45 приводит в действие топливный насос 35, закрывает клапан 23 и открывает клапан 25. Процесс сжатия окончен. За ним следует горение топлива и процесс политропного расширения продуктов сгорания. Цикл по цилиндру 1 замыкается.

При подъеме рабочей жидкости в цилиндре 1 до уровня датчика 37 рабочая жидкость в цилиндре 2 опускается до минимального уровня, заданного установленным в нижней части цилиндра 2 датчиком 42 нижнего уровня жидкости. Этому положению поплавкового поршня в цилиндре 2 соответствует противоположное положение жидкостных клапанов: клапан 26 закрыт, а клапан 24 открыт. Далее в цилиндре 2 следуют продувка и сжатие воздуха за один такт поплавкового поршня в описанной последовательности.

Таким образом, в каждом из цилиндров двигателя внутреннего сгорания цикл производства работы совершается за четыре процесса, составляющих два такта.

Для компенсации разности расходов рабочей жидкости при переходе ее из одного цилиндра в другой и для отвода дымовых газов, возможно частично абсорбированных рабочей жидкостью, предусмотрена на магистрали 51 низкого давления емкость 56 с воздушным патрубком, через который происходит выброс возможно накопленных газов в атмосферу. Продукты сгорания будут экологически чистыми в результате промывки их рабочей жидкостью.

Для очистки рабочей жидкости от возможных загрязнений на байпасной линии 68 низкого давления с диаметром не более 0,1 от диаметра магистрали 51 низкого давления установлен фильтр 67. Затем по магистрали 51 низкого давления рабочая жидкость поступает в радиатор 69, в котором происходит понижение температуры рабочей жидкости в основном за счет рекуперативного охлаждения вторичным теплоносителем и частично за счет смешения с добавляемой холодной рабочей жидкостью. Движение транспортного средства происходит за счет использования химической энергии топлива, которая в камерах сгорания преобразуется в тепловую энергию дымовых газов, а затем в кинетическую энергию потока рабочей жидкости и наконец в механическую работу вращения роторов турбин 59 и 62 и колес 63 транспортного средства.

В момент начала движения транспортного средства после холостого хода управляемым элементом 64 открывается запорный орган 66 на ветви 53 низкого давления и частично прикрывается запорный орган 65 на ветви 52 низкого давления. Таким образом устройство, состоящее из запорных органов 65, 66 и управляемого элемента 64, выполняет функцию сцепления и регулирует перераспределение потоков рабочей жидкости между турбиной 59 холостого хода и турбинами 62 привода колес 63 транспортного средства.

В режиме движения транспортного средства с максимальной скоростью запорный орган 66 на ветви 53 низкого давления должен быть открыт полностью с помощью управляемого элемента 64, расположенного в кабине транспортного средства. Запорный орган 65, жестко связанный с вентилем 66 управляемым органом 64, открыт при этом минимально и настолько, чтобы обеспечить мощность турбины 59, достаточную для привода циркуляционного насоса 70 через вал 61 с целью поддержания циркуляции в открытом контуре гидропривода при движении транспортного средства. Таким образом ветвь 52 низкого давления не может полностью перекрываться запорным органом 65 в любом режиме работы транспортного средства.

Улучшение технико-экономических и экологических показателей силовой установки в сравнении с отечественными и зарубежными обусловлено
конструкцией двухтактного двигателя внутреннего сгорания, в которой отсутствуют шатун, коленчатый вал, система глушения, топливорегулирующий механизм;
уменьшением на порядок требований к точности изготовления деталей двигателя;
заменой традиционного механического привода транспортного средства гидравлической трансмиссией открытого контура;
наличием регулируемой заслонки в гидравлической трансмиссии, расположенной в нагнетательной магистрали на входе в цилиндр, обеспечивающей двигателю единственно стабильный и оптимальный режим работы, независящий от режима эксплуатации транспортного средства, ликвидацией холостого хода, что существенно на транспорте пиковых нагрузок с длительным режимом холостого хода (автокраны, тракторы, дорожные, строительные и другие машины);
высокой эффективностью гидравлической трансмиссии открытого контура транспортного средства из-за отсутствия сцепления, коробки передач, карданного вала, что снижает потери в трансмиссии от механической необратимости;
сокращением отраслей машиностроения, занятых производством шатунов и коленчатых валов, т.е. увеличением производительности труда в автомобильном и сельскохозяйственном машиностроении;
улучшением динамических свойств транспортного средства, так как ведущими могут быть даже колеса прицепов и полуприцепов;
предельной простотой конструкции эксплуатационно-регулировочных работ и качественным улучшением их;
увеличением моторесурса силовой установки предельной экологичностью вследствие эксплуатации двигателя в оптимальном режиме и отсутствием вредных присадок;
высоким эффективным КПД силовой установки транспортного средства с гидравлической трансмиссией, достигающим 35% и независимостью КПД от режима эксплуатации транспортного средства.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: силовая установка содержит свободнопоршневой двухтактный дизель и гидравлическую трансмиссию, служащую для передачи энергии от газовых полостей дизеля к выходному валу гидравлической силовой турбины. Цилиндры двигателя выполнены разделенными вдоль оси на две равные полости посредством плоской жесткой перегородки, а поплавковый поршень выполнен пустотелым из металлических листов, подкрепленных ребрами жесткости. 2 ил.

Силовая установка, содержащая двухтактный дизельный двигатель внутреннего сгорания с цилиндрами, разделенными на газовую и гидравлическую полости при помощи поплавкового поршня, системы пуска, газораспределения и топливоподачи, блок управления с исполнительными органами и датчиками уровней жидкости в цилиндрах, гидравлическую трансмиссию открытого или закрытого контура с емкостью, магистралями высокого и низкого давления, клапанами и реверсивными силовыми турбинами привода нагрузки, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена гидравлической турбиной холостого хода, объединенной общим валом с циркуляционным насосом, выходной патрубок которого сообщен с гидравлическими полостями цилиндров при помощи регулируемой заслонки, при этом силовые турбины снабжены связанными между собой регулирующими запорными органами, система пуска двигателя включает источник постоянного тока с электродвигателем, цилиндры двигателя разделены по оси на две равные полости посредством плоской жесткой перегородки, перфорированной в своей нижней части, а поплавковый поршень выполнен пустотелым из металлических листов, подкрепленных ребрами жесткости, и снабжен прорезью по диаметру и перфорацией на верхнем листе.