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, кроме лодочного, или в качестве стационарного двигателя внутреннего сгорания, так как будучи гидрореактивным, он конструктивно оформлен для случая прямоточного движения воды.

Известным современным транспортным теплосиловым установкам с гидравлической передачей, включающим блок цилиндров, в которых размещены поршни, разделяющие объемы цилиндров на камеры сгорания и гидравлические 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 коэффициент полезного действия.

Известные силовые установки объемного сжатия и расширения обладают недостатками, заключающимися 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 коэффициент полезного действия и неэкологичны.

Технический результат расширение диапазона регулирования мощности силовой установки изменением времени.

Технический результат достигается тем, что силовая установка транспортного средства, содержащая дизельный или карбюраторный двигатель, включающий по меньшей мере один блок спаренных цилиндров с газовой и гидравлической полостями, поплавковым поршнем разделителем, органами газораспределения и топливоподачи, блоком управления и датчиками уровней жидкости с гидравлической трансмиссией открытого или закрытого контура, включающей магистрали высокого и низкого давления с клапанами, емкость, компенсирующую разность расходов, и гидравлическую турбину для привода нагрузки, при этом на ее валу установлен центробежный насос, выходной патрубок которого сообщен с гидравлическими полостями цилиндров при помощи регулируемой заслонки, устанавливающей скорость подъема рабочей жидкости в соответствующий цилиндр, и тем самым, частоту процессов горения, что в свою очередь, создает условия для оптимального постоянного режима работы двух-, четырех- или шестицилиндрового двигателя, не зависящего от режима эксплуатации транспортного средства, а впускные клапаны органов газораспределения выполнены самодействующими.

На чертеже приведена схема силовой установки транспортного средства с двухцилиндровым двигателем внутреннего сгорания.

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

Четырехтактный поршневой дизельный двигатель внутреннего сгорания с поплавковым поршнем разделителем состоит из двух цилиндров 1 и 2 соответственно с камерами сгорания 3 и 4, впускными 5 и 6 и выпускными 7 и 8 газовыми клапанами соответственно для впуска в камеры сгорания 3 и 4 воздуха и выпуска продуктов сгорания из камер 3 и 4 в атмосферу, впускными 9 и 10 и выпускными 11 и 12 жидкостными клапанами соответственно для впуска рабочей жидкости в цилиндры 1 и 2 из нагнетательной магистрали 13 и выпуска рабочей жидкости из цилиндров 1 и 2 двигателя в магистраль 14 высокого давления и двумя жидкостными клапанами 15 и 16 выпуска рабочей жидкости из цилиндров 1 и 2 двигателя в магистраль 17 низкого давления, форсунками 18 и 19 для подачи топлива в камеры сгорания 3 и 4 от топливных насосов 20 и 21, датчиками верхнего 22 и 23, промежуточного 24 и 25 и нижнего 26 и 27 уровней жидкости в цилиндрах 1 и 2 для подачи информации о трех реперных уровнях жидкости в цилиндрах двигателя и передачи этой информации через коммутатор 28 исполнительным органом 29-38, управляющим перемещением газовых и жидкостных клапанов 7, 8 и 9-12, 15, 16 и подачей сигнала на топливные насосы 20 и 21.

Функции поплавкового поршня-разделителя в цилиндрах 1 и 2 двигателя выполняет рабочая жидкость, на поверхности которой для сглаживания пульсаций и уменьшения эффекта парообразования находятся с уплотнением или без него поплавки 39 и 40 малой высоты, 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 открытого контура состоит из нагнетательной магистрали 13, магистрали 14 высокого и магистрали 17 низкого давления, сообщающихся между собой через емкость 41, компенсирующую разность расходов с воздушным патрубком 42 и цилиндры 1 и 2 двигателя, скорость наполнения гидравлического объема которых регулируется заслонкой 43 от управляемого элемента 44, расположенного в кабине транспортного средства, гидравлической турбины 45 с реверсивным ротором, установленной индивидуально на валу 46 каждого колеса 47 или на общем валу пары колес транспортного средства, и объединенной общим валом 46 с центробежным циркуляционным насосом 48 соответственно нескольких или одного маховика 49 с венцом для сглаживания пульсаций в работе гидравлической турбины 45, радиатора 50 для рекуперативного охлаждения рабочей жидкости вторичным теплоносителем.

Система пуска двигателя выполнена из источника постоянного тока в виде аккумуляторной батареи 51 и электродвигателя 52 с шестерней 53 на общем валу, соединенных друг с другом замыкающим контактом выключателя 54, и управляемого элемента 55, расположенного в кабине транспортного средства.

Силовая установка транспортного средства работает следующим образом.

Рабочая жидкость из цилиндра 2 по нагнетательной магистрали 13 через впускной жидкостной клапан 9 поступает в цилиндр 1 двигателя. Выпускные жидкостные клапаны 11, 15 и 16, впускные воздушные клапаны 5 и 6 и выпускной газовый клапан 8 при этом закрыты. Скорость наполнения цилиндра 1 рабочей жидкостью, определяющая скорость подъема поплавкового поршня, а следовательно, и частоту процессов горения топлива в камере сгорания 3 двигателя, регулируется заслонкой 43, приводимой в действие от управляемого элемента 44, расположенного в кабине транспортного средства. Разность расходов рабочей жидкости при одновременном нерегулируемом освобождении цилиндра 2 и регулируемом наполнении цилиндра 1 компенсируется емкостью 41, достигающей ориентировочно 0,5 объема одного из цилиндров, и сообщающейся с атмосферой патрубком 42. Емкость 41 выполняет также функцию газосборника возможно абсорбированных рабочей жидкостью продуктов сгорания и выброса их через патрубок 42 в атмосферу. По мере заполнения цилиндра 1 двигателя рабочая жидкость с поплавком 39, возможно с уплотнением, как поршень перемещается вверх и выталкивает от предыдущего рабочего хода продукты сгорания через открытый клапан 7 выпуска в атмосферу такт выпуска. Поплавок 39 сглаживает возможные пульсации на поверхности рабочей жидкости и уменьшает эффект ее парообразования. Подъем рабочей жидкости происходит до максимального уровня, заданного установленным на конкретной высоте верхней части цилиндра 1, датчиком 22 верхнего уровня жидкости. Опускание рабочей жидкости в цилиндре 2 при этом происходит до минимального уровня, заданного установленным на конкретной высоте нижней части цилиндра 2, датчиком 27 нижнего уровня жидкости, при котором клапан 12 закрывается, а клапан 8 открывается. Последнее способствует охлаждению цилиндра 2 за счет частичного выхода продуктов сгорания. Датчик 22 верхнего уровня жидкости срабатывает при контакте с жидкостью, что приводит через исполнительный орган 29, включаемый в работу от коммутатора 28, к принудительному закрытию клапана 7 выпуска продуктов сгорания из цилиндра 1 в атмосферу и через исполнительный орган 30, включаемый в работу от коммутатора 28, к синхронному принудительному закрытию клапана 9 впуска рабочей жидкости в цилиндр 1 двигателя, при этом одновременному принудительному открытию по команде коммутатора 28 через исполнительный орган 31 клапана 15 выпуска рабочей жидкости. Клапаны 11 и 12, 16, 6 и 8 по-прежнему закрыты. При открытии клапана 15 начинается выход рабочей жидкости из цилиндра 1 двигателя в магистраль 17 низкого давления, и затем в емкость 41. Это приводит к самопроизвольному открытию клапана 5. Начинается процесс впуска воздуха в камеру сгорания 3. Процесс впуска заполнения камеры сгорания 3 воздухом происходит до определенного расчетного уровня опускания рабочей жидкости, заданного установленным на конкретной высоте, составляющей ориентировочно 1/5 общей высоты цилиндра 1, датчиком 24 промежуточного уровня жидкости. Датчик 24 промежуточного уровня жидкости срабатывает при отсутствии контакта с жидкостью, что приводит по команде коммутатора 28 к принудительному закрытию через исполнительный орган 31 клапана 15 выпуска рабочей жидкости в магистраль 17 низкого давления и одновременному через исполнительный орган 30, включаемый в работу коммутатором 28, принудительному открытию клапана 9 впуска рабочей жидкости из нагнетательной магистрали 13. Клапаны 11 и 12, 10, 16, 6 и 7 по-прежнему закрыты. Процесс впуска окончен.

Начальное давление воздуха в камере сгорания 3 составляет 0,1 МПа, а температура не менее 40^оС. С помощью центробежного насоса 48, приводимого в работу гидравлической турбиной 45, рабочая жидкость из емкости 41 по нагнетательному трубопроводу 13 при открытой заслонке 43 поступает в цилиндр 1. В цилиндре 1 рабочая жидкость с поплавком 39 возможно с уплотнением, как поршень перемещается вверх, что приведет к самопроизвольному закрытию клапана 5 и сжатию воздуха до уровня, отмеченного датчиком 22, при котором температура сжатого воздуха достигнет значения, превышающего температуру самовоспламенения топлива процесс политропного сжатия рабочего тела. В момент контакта рабочей жидкости с датчиком 22 верхнего уровня жидкости последний срабатывает. Это приводит посредством исполнительных органов 30 и 32, управляемых коммутатором 28, к соответственно принудительному закрытию жидкостного клапана 9 и одновременному принудительному открытию жидкостного клапана 11. Одновременно также с помощью исполнительного органа 33 включается в работу топливный насос 20 и топливо форсункой 18 подается в камеру сгорания 3, в которой оно самовоспламеняется. И, кроме того, в этот же момент времени при срабатывании датчика 22 принудительно от исполнительного органа 34, включаемого в работу от коммутатора 28, открывается клапан 10. Клапаны 5, 7 и 6, 12 по-прежнему закрыты.

Горение топлива в цилиндре 1 происходит при постоянном давлении рабочего тела процесс изобарного подвода теплоты к рабочему телу. При этом продукты сгорания в цилиндре 1 давят на поплавковый поршень и рабочая жидкость с поплавком 39 устремляется вниз процесс предварительного расширения рабочего тела. С начала горения топлива в цилиндре 1 начинается не только освобождение от рабочей жидкости 1, но и одновременное регулируемое наполнение цилиндра 2 через открытый жидкостный клапан 10. Разность расходов рабочей жидкости при этом компенсируется емкостью 41. По мере подъема рабочей жидкости с поплавком 40 через открытый клапан 8 происходит выталкивание остаточных продуктов сгорания от предыдущего рабочего хода в цилиндре 2. В это же время производство работы двигателем осуществляется в цилиндре 1, в котором продукты сгорания после окончания процесса горения продолжают выталкивать рабочую жидкость из цилиндра 1 в магистраль 14 высокого давления на ротор гидравлической турбины 45, приводя его во вращение рабочий ход двигателя. Опускание поплавкового поршня в цилиндре 1 происходит до момента, при котором давление продуктов сгорания в камере 3 цилиндра 1 становится близким к давлению окружающей среды. Этому расчетному моменту соответствует определенный уровень в нижней части цилиндра 1, на котором установлен датчик 26 нижнего уровня жидкости. Одновременный подъем рабочей жидкости в цилиндре 2 происходит до максимального уровня, заданного установленным на конкретной высоте верхней части цилиндра 2 датчиком 23 верхнего уровня жидкости. Разность расходов рабочей жидкости при переходе ее из цилиндра 1 в цилиндр 2 компенсируется емкостью 41.

При отсутствии контакта с рабочей жидкостью датчик 26 нижнего уровня жидкости в цилиндре 1 срабатывает и импульс от него через коммутатор 28 поступает на исполнительный орган 32, с помощью которого принудительно закрывается клапан 11, и на исполнительный орган 29, с помощью которого принудительно открывается клапан 7 выпуска продуктов сгорания. С этого момента времени в работе цилиндра 1 наступает пауза. Дымовые газы частично через клапан 7 выходят в атмосферу. Клапаны 5 и 9 по-прежнему закрыты. В момент закрытия клапана 11 рабочая жидкость в цилиндре 2 достигает максимального уровня, заданного установленным на конкретной высоте верхней части цилиндра 2, датчиком 23 верхнего уровня жидкости такт выпуска продуктов сгорания в атмосферу через клапан 8 окончен. Датчик 23 верхнего уровня жидкости срабатывает при контакте с жидкостью, что приводит через исполнительный орган 35, включаемый в работу от коммутатора 28, к синхронному принудительному закрытию клапана 10, и одновременному принудительному открытию по команде коммутатора 28 через исполнительный орган 36 клапана 16 выпуска рабочей жидкости из цилиндра 2 в магистраль 17 низкого давления.

При открытии клапана 16 начинается естественный сброс рабочей жидкости из цилиндра 2 двигателя в магистраль 17 низкого давления и затем в емкость 41. При этом самопроизвольно открывается клапан 6. Начинается процесс впуска воздуха в камеру сгорания 4. Заполнение воздухом камеры 4 происходит, как в цилиндре 1, до определенного расчетного уровня опускания рабочей жидкости, заданного установленным на той же высоте, что и в цилиндре 1, датчиком 25 промежуточного уровня жидкости. Датчик 25 срабатывает при отсутствии контакта с жидкостью, что приводит по команде коммутатора 28 к одновременному принудительному закрытию через исполнительный орган 36 клапана 16 выпуска рабочей жидкости в магистраль 17 низкого давления, и одновременному через исполнительный орган 34, включаемый в работу коммутатором 28, принудительному открытию клапана 10 впуска рабочей жидкости из нагнетательной магистрали 13. Клапаны 11 и 12, 9, 15, 5 и 6 по-прежнему закрыты. Процесс впуска окончен.

Начальное давление воздуха в камере сгорания 4 составляет 0,1 МПа, а температура не менее 40^оС. С помощью центробежного насоса 48, приводимого в работу гидравлической турбиной 45, рабочая жидкость из емкости 41 по нагнетательному трубопроводу 13 при открытой заслонке 43 поступает в цилиндр 2. В цилиндре 2 рабочая жидкость с поплавком 40, возможно с уплотнением, как поршень перемещается вверх, что приводит к самопроизвольному закрытию клапана 6 и сжатию воздуха до уровня, отмеченного датчиком 23, при котором температура сжатого воздуха достигает значения, превышающего температуру самовоспламенения топлива процесс политропного сжатия рабочего тела. В момент контакта рабочей жидкости с датчиком 23 верхнего уровня жидкости последней с срабатывает. Это приводит посредством исполнительных органов 34 и 37, управляемых коммутатором 28, к соответственно принудительному закрытию жидкостного клапана 10 и одновременному принудительному открытию жидкостного клапана 12. Одновременно также с помощью исполнительного органа 38 включается в работу топливный насос 21 и топливо форсункой 19 подается в камеру сгорания 4, в которой оно самовоспламеняется. И, кроме того, в этот же момент времени при срабатывании датчика 23 принудительно от исполнительного органа 30, включаемого в работу от коммутатора 28, открывается клапан 9. Клапаны 5, 7 и 6, 11 по-прежнему закрыты.

Горение топлива в цилиндре 2 происходит 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 40 устремляется вниз процесс предварительного расширения рабочего тела. С начала горения топлива в цилиндре 2 начинается не только освобождение цилиндра 2, но и одновременное регулируемое наполнение цилиндра 1 через открытый жидкостный клапан 9. Разность расходов рабочей жидкости при этом компенсируется емкостью 41.

По мере подъема рабочей жидкости с поплавком 39 через открытый клапан 7 происходит выталкивание остаточных продуктов сгорания от предыдущего рабочего хода в цилиндре 1. В это же время производство работы двигателей осуществляется в цилиндре 2, в котором продукты сгорания и после окончания процесса горения продолжают выталкивать поршень из цилиндра 2. Опускание эластичного поршня в цилиндре 2 происходит до момента, при котором давление дымовых газов в камере 4 цилиндра 2 становится близким к давлению окружающей среды. Этому расчетному моменту соответствует определенный уровень в нижней части цилиндра 2, на котором установлен датчик 27 нижнего уровня жидкости. Одновременный подъем рабочей жидкости в цилиндре 1 происходит до максимального уровня, заданного установленным на конкретной высоте верхней части цилиндра 1 датчиком 22 верхнего уровня жидкости. Разность расходов рабочей жидкости при переходе ее из цилиндра 2 в цилиндр 1 компенсируется емкостью 41.

При отсутствии контакта с рабочей жидкостью датчик 27 нижнего уровня жидкости в цилиндре 2 срабатывает и импульс от него через коммутатор 28 поступает на исполнительный орган 37, с помощью которого принудительно закрывается клапан 12, и на исполнительный орган 35, с помощью которого принудительно открывается клапан 5 выпуска продуктов сгорания. С этого момента времени в работе цилиндра 2 наступает пауза. Дымовые газы частично через клапан 8 конвективно выходят в атмосферу. Клапаны 6 и 10 по-прежнему закрыты.

В момент закрытия клапана 12 рабочая жидкость в цилиндре 1 достигает максимального уровня заданного установленным на конкретной высоте верхней части цилиндра 1, датчиком 22 верхнего уровня жидкости. Цикл замыкается.

Таким образом, в каждом из цилиндров двигателя внутреннего сгорания цикл производства работы совершается за четыре такта, два из которых являются тактами неполного хода.

Для компенсации разности расходов рабочей жидкости при переходе ее из одного цилиндра в другой и для отвода дымовых газов возможно абсорбированных рабочей жидкостью, предусмотрена на магистрали 17 низкого давления емкостью 41 с воздушным патрубок 42, через который происходит выброс, возможно накопленных газов, в атмосферу. Продукты сгорания будут экологически чистыми в результате промывки их рабочей жидкостью.

Охлаждение рабочей жидкости осуществляется в радиаторе 50 в основном за счет рекуперативного охлаждения вторичным теплоносителем и частично за счет смещения с добавляемой холодной рабочей жидкостью. Движение транспортного средства происходит за счет использования химической энергии топлива, которая в камерах сгорания цилиндров преобразуется в тепловую энергию дымовых газов, а затем в кинематическую энергию потока рабочей жидкости и, наконец, в механическую работу вращения ротора турбины 45 и колес 47 транспортного средства.

Пуск двигателя внутреннего сгорания осуществляется по стандартной схеме. По команде управления транспортным средством через управляемый элемент 55 от аккумуляторной батареи 51 включением замыкающего контакта выключателя 54 подается электрический ток на электрический двигатель 52 постоянного тока, шестерня которого входит в зацепление с венцом маховика 49. Маховик 49 раскручивается и передает усилие циркуляционному насосу 48. Последний подает рабочую жидкость по нагнетательной магистрали 13 через полностью открытую регулируемую заслонку 43 в порожний цилиндр, в котором происходит вначале выпуск продуктов сгорания, затем впуск воздуха, сжатие его, а потом горение топлива, подаваемого в камеру сгорания цилиндра пуск двигателя окончен.

Назначение регулируемой заслонки 43 состоит в том, что с ее помощью возможно регулирование частоты процесса горения топлива, а следовательно, и частоты вращения вала 46 ротора турбины, т.е. мощности двигателя внутреннего сгорания в целом. Чем ниже опущена заслонка 43, тем медленнее рабочая жидкость наполняет цилиндр и тем реже будет происходить горение топлива и тем меньшей будет мощность двигателя.

Улучшение технико-экономических показателей силовой установки в сравнении с отечественными и зарубежными обусловлено конструкцией 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 транспортных средствах 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;
предельной простотой конструкций и качественным улучшением эксплуатационно-регулировочных работ
увеличением моторесурса силовой установки;
предельной экологичностью вследствие эксплуатации двигателя в оптимальном режиме и отсутствием вредных присадок в топливе;
независимостью КПД от режима эксплуатации транспортного средства.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: силовая установка содержит дизельный или карбюраторный двигатель и гидравлическую трансмиссию, служащую для передачи энергии от газовых полостей двигателя к выходному валу гидравлической силовой турбины, на валу которой установлен центробежный насос, выходной патрубок которого сообщен с гидравлическими полостями цилиндров при помощи регулируемой заслонки, а впускные клапаны органов газораспределения выполнены самодействующими. 1 ил.

Силовая установка, содержащая дизельный или карбюраторный двигатель с гидравлической трансмиссией открытого или закрытого контура, при этом двигатель включает по меньшей мере один блок спаренных цилиндров с газовой и гидравлической полостями, поплавковым поршнем-разделителем, органами газораспределения и топливоподачи, блоком управления и датчиками уровней жидкости, а гидравлическая трансмиссия включает магистрали высокого и низкого давления с клапанами, емкость и гидравлическую турбину для привода нагрузки, отличающаяся тем, что на валу гидравлической турбины установлен центробежный насос, выходной патрубок которого сообщен с гидравлическими полостями цилиндров при помощи регулируемой заслонки, а впускные клапаны органов газораспределения выполнены самодействующими.