СПОСОБ РАБОТЫ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ МАШИНЫ, СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ МАШИНЫ И СИЛОВАЯ УСТАНОВКА МАШИНЫ Российский патент 1998 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к силовым установкам машин и может быть использовано в автомобилестроении, так как касается средств, обеспечивающих приспособление двигателя и устройств, аккумулирующих энергию, к режимам работы автомобиля.

Энергетический анализ показывает, что автомобиль потребляет гораздо больше топлива, чем необходимо для движения автомобиля с постоянной скоростью [1], стр. 13, рис. 2. Причина этого заключается в том, что схема привода автомобиля слабо адаптирована к большому разнообразию режимов движения.

Известны технические решения, позволяющие оптимизировать характеристику силовой установки автомобиля при его эксплуатации, например, за счет использования гибридного привода, как это выполнено в экспериментальном электромобиле фирмы "Гаррет" США, в котором использованы обратимые электрические машины и маховик для аккумулирования энергии, что позволяет рекуперировать энергию при изменении скорости движения автомобиля и с помощью вычислительно-управляющего блока оптимизировать режим нагрузки силовой установки [1], стр. 75-78, рис. 77.

Однако это техническое решение не получило пока широкого распространения из-за своего существенного недостатка, связанного с высокой стоимостью и большой массой аккумуляторов электрической энергии и их малой долговечностью, что делает электромобиль неконкурентоспособным по сравнению с автомобилем, использующим химическую энергию жидкого топлива.

Для передачи механической энергии в различного типа машинах широкое распространение благодаря простоте прокладки коммуникаций, хорошим показателям по удельной передаваемой мощности, безопасности в эксплуатации получили гидравлические системы. Энергия в этих системах передается в основном сжатой жидкостью, при этом принимается, что жидкость несжимаема, а работу получают за счет срабатывания в гидравлическом приводе исполнительного механизма перепада давления жидкости, полученного в гидронасосе. Например, самоходное шасси Ш104М с гидравлической передачей энергии к встроенным в ведущие колеса гидромоторам этого шасси, описанные в [2], стр. 269... 271, рис. 14.10.

Однако известные машины с гидравлическими передачами не исчерпывают всех возможностей экономии топлива. Потери, связанные с увеличенной массой двигателя и сложным механизмом передачи энергии на колеса, ее регулирования, потери с выхлопными газами, потери из-за несоответствия характеристики двигателя и отдельных режимов его эксплуатации на автомобиле, недостаточная рекуперация энергии движения автомобиля приводят к непроизводительному сжиганию топлива и значительным выбросам энергии в окружающую среду.

Известны различные способы регулирования работы силовой установки, например способ, использованный фирмой "Порше" (Германия) в своих автомобильных двигателях и описанный в [1], стр. 170-172 и 193-197. Этот способ регулирования работы силовой установки машины заключается в изменении количества вырабатываемой двигателем энергии, в накоплении части этой энергии и в передаче исполнительному механизму энергии, необходимой ему для совершения полезной работы.

Известный способ обеспечивает экономию топлива при эксплуатации транспортного средства, улучшает его экологические показатели, что делает двигатели "Порше" конкурентоспособными на современном рынке автомобилестроения.

Однако известный способ регулирования требует использования сложной трансмиссии, что приводит к дополнительным потерям при передаче энергии.

Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому способу работы силовой установки, способу регулирования ее работы и устройству по совокупности существенных признаков является описанный в изобретении [3] "Силовой привод с четырехтактным свободнопоршневым двигателем внутреннего сгорания" способ работы двигателя, способ его регулирования и конструкция, которые авторы приняли за прототип заявляемого изобретения.

Принятый за прототип объект в части способа работы силовой установки машины представляет собой способ, при котором сжигают смесь воздуха и топлива в цилиндре с подвижным поршнем, превращают тепловую энергию рабочих газов в механическую и передают последнюю исполнительному механизму с помощью гидравлической энергии сжатой жидкости, при этом часть энергии используют для сжатия воздуха, подаваемого в цилиндр.

В части регулирования работы силовой установки принятый за прототип способ заключается в изменении количества вырабатываемой двигателем энергии путем изменения количества подаваемого в цилиндр топлива, в накоплении части энергии для использования по мере надобности и в передаче исполнительному механизму такого количества энергии, которое необходимо ему для совершения полезной работы. В части устройства принятый за прототип объект представляет собой силовую установку машины, содержащую цилиндр двигателя с установленным в нем дифференциальным поршнем, гидравлическую систему, включающую гидравлический насос с приводом от дифференциального поршня, гидромотор, гидроаккумулятор, трубопроводы и клапаны, устройство подачи и зажигания топлива, устройство сжатия воздуха, а также систему управления, подключенную к клапанам и снабженную датчиками положения.

Однако принятый за прототип объект не исчерпывает всех возможностей экономии топлива. Потери, связанные с увеличенной массой двигателя и сложным механизмом передачи энергии на колеса, ее регулирования, потери с выхлопными газами, потери из-за несоответствия характеристики двигателя и отдельных режимов его эксплуатации на автомобиле, недостаточная рекуперация энергии движения автомобиля приводят к непроизводительному сжиганию топлива и значительным выбросам энергии в окружающую среду.

Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование способа работы двигателя и регулирования передачи его энергии на колеса путем приведения в соответствие характеристики двигателя и отдельных режимов его эксплуатации на автомобиле, создание комплексной схемы привода транспортного средства, способной, при условии достижения минимума расхода топлива, обеспечить рациональное расходование энергии первичных и вторичных источников энергии при движении, включая преодоление сил трения, аэродинамического сопротивления, инерционных и гравитационных сил.

Коэффициент полезного действия привода определяется, в основном, характеристикой двигателя, который работает наиболее эффективно при определенном сочетании параметров, оказывающих существенное влияние на индикаторный КПД двигателя и механические потери. К таким параметрам относятся: степень сжатия воздуха, наполняемость цилиндра, коэффициент избытка воздуха, скорость расширения рабочих газов и другие параметры. Максимальный эффективный КПД достигается только при определенных значениях упомянутых параметров. Любое отклонение от оптимальных значений приводит, как правило, к отклонению эффективного КПД от максимума. Поэтому в приводе, рассчитанном на поддержание максимального КПД, может использоваться только импульсный режим управления мощностью двигателя. Сущность этого режима состоит в том, что для удовлетворения определенной потребности в мощности двигатель включается и работает при оптимальных значениях скорости движения поршней и других основных параметров, либо стоит на месте. Работа в любом другом режиме будет обязательно связана с увеличением расхода топлива. Постоянство основных параметров влечет за собой не только постоянство КПД, но и мощности. Следовательно, привод, настроенный на достижение максимального КПД, должен работать в режиме постоянной мощности, вырабатываемой за каждый рабочий цикл.

В результате решения поставленной задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в создании силовой установки автомобиля, обеспечивающей:
- высокую литровую мощность и малый вес двигателя,
- высокую экономичность,
- бесшумность,
- отсутствие коробки передач.

Данный технический результат достигнут тем, что при осуществлении способа работы силовой установки машины, при котором сжигают смесь воздуха и топлива в цилиндре с подвижным поршнем, превращают тепловую энергию рабочих газов в механическую и передают последнюю исполнительному механизму с помощью гидравлической энергии сжатой жидкости, при этом часть энергии используют для сжатия воздуха, подаваемого в цилиндр, согласно изобретению, в каждом цикле топливо в цилиндре двигателя сжигают при одних и тех же параметрах процесса, при этом гидравлическую энергию получают, хранят и передают в виде энергии деформированной жидкости, причем воздух и жидкость сжимают сначала за счет энергии рабочих газов, а затем за счет энергии движущейся массы поршня, при этом воздух сжимают вне цилиндра двигателя до параметров начала сжигания топлива.

При этом осуществляют способ регулирования работы силовой установки машины, заключающийся в изменении количества вырабатываемой двигателем энергии путем изменения количества подаваемого в цилиндр топлива, в накоплении части энергии для использования по мере надобности и в передаче исполнительному механизму такого количества энергии, которое необходимо ему для совершения полезной работы, в котором, согласно изобретению, количество вырабатываемой двигателем энергии изменяют путем изменения частоты циклов сжигания топлива в цилиндре двигателя, а количество энергии, передаваемой исполнительному механизму, регулируют путем изменения частоты передаваемых импульсов деформированной жидкости, при этом разницу вырабатываемой двигателем и потребляемой исполнительным механизмом энергии компенсируют за счет импульса, находящегося в аккумуляторе.

Силовая установка для осуществления этих способов содержит цилиндр двигателя с установленным в нем дифференциальным поршнем, гидравлическую систему, включающую гидравлический насос с приводом от дифференциального поршня, гидромотор, гидроаккумулятор, трубопроводы и клапаны, устройство подачи и зажигания топлива, устройство сжатия воздуха, а также систему управления, подключенную к клапанам и снабженную датчиками положения, при этом, согласно изобретению, устройство сжатия воздуха выполнено с приводом от промежуточной ступени дифференциального поршня и снабжено ресивером, а объем цилиндра устройства сжатия воздуха выполнен в 1,5 - 3,0 раза меньшим, чем объем цилиндра двигателя, причем в варианте исполнения устройство сжатия воздуха выполнено двухступенчатым, а объем цилиндра первой ступени устройства выполнен в 1,5 - 3,0 раза меньшим, чем объем цилиндра двигателя.

Кроме того, согласно изобретению, система управления выполнена программируемой, датчики положения установлены на исполнительном механизме и к системе подключены клапаны, установленные на выхлопе газов из цилиндра двигателя, подаче в этот цилиндр сжатого воздуха и топлива, на выходе из гидравлического насоса и на входе в гидромотор.

Согласно изобретению, силовая установка может быть выполнена с размещением в одном цилиндре двигателя двух дифференциальных поршней, установленных оппозитно.

Кроме того, согласно изобретению, в качестве рабочей жидкости гидравлической системы силовой установки используют топливо, сжигаемое в цилиндре двигателя, при этом устройство зажигания и подачи топлива может быть соединено с гидроаккумулятором через промежуточную емкость, снабженную обратным клапаном.

Изобретение предусматривает варианты исполнения, при которых к одному гидроаккумулятору подключено несколько гидромоторов через отдельные, подключенные к системе управления клапаны, или к одному гидромотору подключено несколько гидроаккумуляторов через отдельные, подключенные к системе управления клапаны, или к нескольким гидроаккумуляторам подключено несколько гидромоторов через гидравлический переключатель, подключенный к системе управления.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что в каждом цикле топливо в цилиндре двигателя сжигают при одних и тех же параметрах процесса, при этом гидравлическую энергию получают, хранят и передают в виде энергии деформированной жидкости.

Постоянство параметров процесса сжигания топлива, т.е. одно и то же в каждом рабочем цикле количество топлива, количество и параметры сжатого воздуха, объем камеры сгорания и объем рабочих газов в конце их расширения, соответственно, постоянство для рабочих газов в каждом цикле температур и давлений, как максимальных, так и конечных, позволяют осуществлять сжигание топлива при оптимальном для извлечения его химической энергии режиме, т.е. получать максимально возможное количество энергии от расходуемого топлива. А получение и последующая передача энергии в виде энергии деформированной жидкости, которая может храниться как угодно долго, позволяют не поддающуюся длительному хранению энергию горячих рабочих газов превратить в долгохранимую и легко управляемую энергию деформированной жидкости, что дает возможность сжигать топливо только для преодоления необратимого сопротивления движению автомобиля и пополнения потерь запасенной энергии, обеспечить тем самым минимальный расход топлива.

Другой отличительной особенностью заявляемого способа работы является то, что воздух и жидкость сжимают сначала за счет энергии рабочих газов, а затем за счет энергии движущейся массы поршня, при этом воздух сжимают вне цилиндра двигателя до параметров начала сжигания топлива.

Эта особенность позволяет реализовать так называемое продолженное расширение рабочих газов в цилиндре двигателя, при котором рабочие газы в конце их расширения занимают объем гораздо больший (в заявляемом двигателе в 1,5 - 3,0 раза) , чем объем свежего заряда в традиционных ДВС, и в то же время получить для сжатия подаваемого в цилиндр воздуха необходимое количество энергии. В традиционных ДВС с выхлопными газами теряется много энергии, т.к. температура выхлопных газов составляет около 1700K, а давление на выходе их рабочего цилиндра - около 6 кг/см². При этом в выхлопных газах содержится значительное количество вредных газов в результате неполноты сгорания топлива. Продолженное расширение рабочих газов обеспечивает полноту использования их энергии и экологические требования к выхлопным газам, так как происходит не только полное сгорание топлива, но и расширение газов до давления ниже критического, что делает выхлоп бесшумным и достаточно чистым.

Сжатие воздуха до параметров начала сжигания топлива вне цилиндра двигателя позволяет обеспечить не только оптимальные параметры в цилиндре для каждого цикла сжигания топлива, но и перейти к принципиально новому способу регулирования работы силовой установки, так как при имеющемся в любой момент времени сжатом воздухе и соответствующей дозе топлива рабочий процесс в цилиндре двигателя также может быть осуществлен в любой момент времени.

Появляется возможность осуществить новый способ регулирования, отличительной особенностью которого является то, что количество вырабатываемой двигателем энергии изменяют путем изменения частоты циклов сжигания топлива в цилиндре двигателя, а количество энергии, передаваемой исполнительному механизму, регулируют путем изменения частоты передаваемых импульсов деформированной жидкости, при этом разницу вырабатываемой двигателем и потребляемой исполнительным механизмом энергии компенсируют за счет импульса, находящегося в аккумуляторе.

Поддержание параметров сжатого воздуха достаточными для начала горения топлива позволяет не только освободить цилиндры ДВС от работы по подготовке свежего заряда, но и в любой момент движения автомобиля в цилиндр можно подать топливо и получить от его сжигания необходимую работу, т.е. легко изменить частоту циклов работы двигателя, что расширяет технологические возможности заявляемой установки.

При регулировании количества энергии изменением частоты циклов сжигания топлива можно останавливать двигатель, прекращая подачу топлива. Двигатель способен также адаптироваться к внешним нагрузкам, соответственно изменяя частоту циклов срабатывания.

Передача энергии через аккумулятор за счет находящегося в нем импульса деформированной жидкости предоставляет практически неограниченные возможности для маневрирования энергией при эксплуатации машины. Сжигая топливо, можно создать запас энергии в любом накопителе (маховике, электрическом аккумуляторе с обратимой электромашиной), подключенном по заявляемому техническому решению к аккумулятору импульса, так как используемые в установке гидромотор и насос обратимы. Аналогично можно передавать энергию в накопитель от основного исполнительного механизма, например от колеса автомобиля при его торможении, т.е. рекуперировать механическую энергию.

Таким образом устраняется основной недостаток известных способов обеспечения функций автомобиля - сжигание топлива в силовой установке в тех случаях, когда этого можно не делать, что приводит к весьма заметному уменьшению расхода топлива, а также появляется возможность использовать энергию, рассеиваемую при торможении в известных машинах.

Силовая установка для осуществления заявляемого способа кроме элементов, обеспечивающих выполнение рассмотренных выше функций, которые в основном могут быть реализованы уже известными средствами, имеет дополнительно свои отличительные особенности, а именно в заявляемой установке устройство сжатия воздуха выполнено с приводом от промежуточной ступени дифференциального поршня и снабжено ресивером, при этом объем цилиндра устройства сжатия воздуха выполнен в 1,5 - 3,0 раза меньшим, чем объем цилиндра двигателя.

Наличие объема для расширения рабочих газов в 1,5 - 3,0 раза большего, чем объем засасываемого и подаваемого затем в цилиндр воздуха, позволяет реализовать продолженное расширение рабочих газов, получить такие их параметры на выхлопе, при которых полностью использована энергия и обеспечена достаточная чистота выхлопа.

При выполнении объема рабочего цилиндра меньшим, чем из приведенного соотношения объемов, появляются все указанные недостатки выхлопа традиционных ДВС - высокие потери энергии с выхлопными газами, недостаточная экологическая чистота, давление на выходе из цилиндра становится выше критического (1,86 кг/см²), требуется применять средства шумоглушения, так как скорость выхлопных газов становится выше скорости звука.

При выполнении объема цилиндра устройства сжатия воздуха в 3,0 раза меньшим, чем объем цилиндра двигателя, давление газов на выхлопе составляет менее 1,3 кг/см², шумоглушения не требуется, обеспечивается полнота сгорания топлива и снижение вредных выбросов, энергия газов настолько уменьшается, что при дальнейшем увеличении объема рабочего цилиндра (более, чем в 3 раза от объема цилиндра устройства сжатия воздуха) механические потери при движении поршня становятся больше, чем выигрыш от индикаторной работы расширения газов. Кроме того, увеличение более чем в 3 раза объема рабочего цилиндра увеличивает долю энергии, передаваемой за счет энергии движущейся массы поршня, настолько, что затрудняет обеспечение необходимой массы поршня, увеличивает габарит двигателя.

Такие же условия выхлопа могут быть обеспечены в варианте исполнения, при котором устройство сжатия воздуха выполнено двухступенчатым, при этом объем цилиндра первой ступени устройства выполнен в 1,5 - 3,0 раза меньшим, чем объем цилиндра двигателя. В этом варианте возможно достижение более высокого давления сжатого воздуха, подаваемого в цилиндр двигателя, и осуществление в последнем цикла Дизеля.

Заявляемый способ регулирования реализуется за счет отличительной особенности системы управления, которая выполнена программируемой, при этом датчики положения установлены на исполнительном механизме и к системе подключены клапаны, установленные на выхлопе газов из цилиндра двигателя, подаче в этот цилиндр сжатого воздуха и топлива, на выходе из гидравлического насоса и на входе в гидромотор.

Наличие управляемых клапанов позволяет организовать передачу энергии между насосом и гидромотором через гидроаккумулятор и регулировать мощность передаваемой энергии путем изменения числа рабочих ходов.

Так как при сжигании одной дозы топлива при одних и тех же параметрах вырабатывается постоянное количество энергии, величина мощности, передаваемая одним импульсом деформированной жидкости, является постоянной величиной. В любой линии гидравлической передачи заявляемой силовой установки или есть импульс деформированной жидкости, или он отсутствует. В связи с этим регулирование передаваемой мощности осуществляют количеством передаваемых импульсов, используя при этом программируемую систему управления. С ее же помощью регулируют скорость вращения колеса, изменяя количество в единицу времени, т.е. частоту передаваемых импульсов. При этом реализуется принципиально новый способ регулирования, аналогичный способу обработки двоичных кодов в вычислительной технике, что при программируемой системе управления позволяет получить практически неограниченные возможности по автоматизации управления потребляющего энергию механизма. Использование такой системы регулирования в автомобиле существенно повысит не только экономичность, но и безопасность его эксплуатации.

Еще одной отличительной особенностью заявляемой силовой установки может быть то, что в качестве рабочей жидкости гидравлической системы используют топливо, сжигаемое в цилиндре двигателя, при этом устройство подачи и зажигания топлива соединено с гидроаккумулятором через промежуточную емкость, снабженную обратным клапаном. Использование топлива в качестве рабочей жидкости гидравлической системы решает не только проблему смазки элементов силовой установки, но и проблему старения рабочей жидкости гидросистемы, так как при работе двигателя жидкость в гидросистеме непрерывно обновляется. Предлагаемое техническое решение подачи топлива значительно упрощает известные системы топливоподачи, не требует дополнительных насосов, отличается простотой управления, которая вызвана именно тем, что в заявляемом способе доза топлива, сжигаемого в каждом рабочем цикле, величина постоянная.

Конструкция заявляемой силовой установки может быть реализована в различных вариантах, осуществляющих заявляемые способы работы и регулирования, в цилиндре двигателя может быть установлено два дифференциальных поршня, размещенных оппозитно, к одному гидроаккумулятору подключено несколько гидромоторов через отдельные, подключенные к системе управления клапаны, к одному гидромотору подключено несколько гидроаккумуляторов через отдельные, подключенные к системе управления клапаны, к нескольким гидроаккумуляторам подключено несколько гидромоторов через гидравлический переключатель, подключенный к системе управления. К любой гидравлической линии может быть подключен гидромотор, приводящий в действие генератор электрического тока или накопитель энергии в виде маховика. Все эти варианты расширяют технологические возможности использования изобретения.

Приведенные варианты исполнения силовой установки оказываются возможными именно благодаря тому, что в изобретении используется гидроимпульсная передача энергии, так как полученная от рабочих газов энергия преобразуется в энергию деформированной жидкости, причем при каждом такте сжигания топлива получают единичный импульс деформации жидкости, который затем хранят как угодно долго в гидроаккумуляторе и используют в гидромоторе по мере надобности.

Передача энергии импульсом деформированной жидкости производится по единственной гидравлической линии. Гидроимпульсная передача обеспечивает взаимодействие двигателя и потребителя энергии в условиях чисто гидравлической связи, при отсутствии передающих валов, шестерен, рычагов и других механических звеньев. Генератор и потребитель энергии могут при этом меняться ролями, что обеспечивает возможность рекуперации энергии, направляя ее в аккумулятор. Например, парой "генератор - потребитель" может служить маховик или приводной механизм обратимой электрической машины и колесо транспортного средства. Заявляемое изобретение обеспечивает взаимодействие между источником и приемником механической энергии за счет деформации жидкости и трубопровода, в котором она заключена, что значительно расширяет технологические возможности такой передачи энергии.

При передаче вращения импульсы деформированной жидкости могут передаваться более, чем по одной гидравлической линии со сдвигом момента времени передачи импульса по углу поворота механизмов источника и потребителя на величину, кратную числу гидравлических линий, что обеспечивает отсутствие мертвых точек при передаче крутящего момента. Например, при трех гидравлических линиях со сдвигом фаз на 120^o равномерность передачи вращающего момента на колесо такая же, как и при использовании асинхронного электродвигателя.

Таким образом устраняется основной недостаток известных способов обеспечения передачи механической энергии с помощью гидравлических систем - наличие большого количества различных клапанов и разделение гидросистемы для обеспечения управляемости передачей энергии и надежности работы на часть низкого давления и часть высокого давления, что приводит к большим (до 15%) объемным потерям.

Приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с известными техническими решениями позволяют создать силовую установку существенно более простую, чем известные, работающую с минимальными потерями, позволяющую использовать для ее управления наиболее современные электронные средства, имеющую минимальные габариты и вес при удобстве монтажа и эксплуатации, что соответственно обеспечивает конкурентоспособность на современном рынке. Эти особенности изобретения позволяют создать автомобиль с существенно меньшим расходом топлива, более надежный, безопасный и комфортабельный.

Предложенная силовая установка, работая по заявляемому способу, при осуществлении регулирования согласно данному изобретению обеспечивает:
- высокую экономичность,
- минимальные гидравлические потери,
- бесшумность,
- отсутствие коробки передач.

На чертеже представлена принципиальная схема силовой установки, поясняющая способ работы и способ регулирования.

Силовая установка машины содержит цилиндр 1 двигателя с установленным в нем дифференциальным поршнем 2, гидравлическую систему, включающую гидравлический насос 3 с приводом от дифференциального поршня 2, гидромотор 4, гидроаккумулятор 5, трубопроводы и клапаны - управляемые, снабженные приводом, и обратные, действующие непосредственно от перепада давления соответствующей среды.

Установка содержит также устройство подачи и зажигания топлива 6, которое в варианте для цикла Дизеля, представленном на чертеже, представляет собой форсунку, а в варианте для циклов с меньшим давлением сжатого воздуха выполнено в виде смесителя сжатого воздуха и топлива, оборудованного свечой зажигания, подключенной через систему управления 8 к источнику электрического напряжения.

Установка содержит устройство сжатия воздуха 7, а также систему управления 8, подключенную к управляемым клапанам с помощью соответствующего привода и снабженную датчиками положения 9.

При этом устройство сжатия воздуха 7 выполнено с приводом от промежуточной ступени дифференциального поршня 2 и снабжено ресивером 10, а объем цилиндра устройства сжатия воздуха 7 выполнен в 1,5 - 3,0 раза меньшим, чем объем цилиндра 1 двигателя. В варианте, изображенном на чертеже, устройство сжатия воздуха выполнено двухступенчатым с выполнением дополнительной ступени дифференциального поршня 2, и между ступенями установлен промежуточный ресивер 11, при этом объем цилиндра именно первой ступени устройства 7 выполнен в 1,5 - 3,0 раза меньшим, чем объем цилиндра двигателя 1. Воздухозаборник и ресиверы 10, 11 подключены к устройству сжатия воздуха 7 через обратные клапаны.

Система управления 8 выполнена программируемой, датчики положения 9 установлены на исполнительном механизме - колесе 12, исполнительным механизмом может быть также любой накопитель энергии - маховик или обратимая электрическая машина с аккумулятором электроэнергии.

К системе 8 с помощью исполнительных механизмов подключены управляемые клапаны, установленные на выхлопе газов из цилиндра двигателя 13, подаче в этот цилиндр сжатого воздуха 14 и топлива 15, на выходе из гидравлического насоса 16 и на входе в гидромотор 17.

В цилиндре 1 двигателя может быть установлено два дифференциальных поршня 2, размещенных оппозитно, при соответствующем размещении и подключении остальных элементов силовой установки, аналогичных приведенным на чертеже.

В качестве рабочей жидкости гидравлической системы используют топливо, сжигаемое в цилиндре двигателя, при этом устройство подачи и зажигания топлива 6 соединено с гидроаккумулятором 5 через промежуточную емкость 18, снабженную обратным клапаном. Для заправки топливом служит емкость 19, снабженная подпружиненным поршнем 20, которая подключена к гидроаккумулятору 5 через обратный клапан.

К одному гидроаккумулятору 5 может быть подключено несколько гидромоторов 4 через отдельные, подключенные к системе управления 8 клапаны. К одному гидромотору 4 может быть подключено несколько гидроаккумуляторов 5 через отдельные, подключенные к системе управления 8 клапаны. К нескольким гидроаккумуляторам 5 может быть подключено несколько гидромоторов 4 через гидравлический переключатель (на чертеже не показан, может быть выполнен известной конструкции, например как гидрораспределитель с приводом), подключенный к системе управления 8. Во всех этих случаях остальные, приведенные на чертеже и подключенные к гидроаккумулятору 5 элементы установки соответственно сохраняются.

Заявляемый способ работы силовой установки рассмотрим на примере схемы, приведенной на чертеже, по которой реализуется цикл Дизеля и которая работает следующим образом.

Перед началом работы гидравлическую систему установки полностью заполняют жидким топливом, заправляя его через горловину емкости 19. При этом поршень 20 поджимает механическую или газовую пружину и в гидросистеме создается начальное избыточное давление порядка 0,5 - 1,0 ати, что обеспечивает отсутствие в гидросистеме газовых пузырей.

В ресивере 10 хранится сжатый воздух при параметрах начала горения топлива в цилиндре 1 двигателя. Давление сжатого воздуха в ресивере 10 и давление в промежуточной емкости 18 обеспечивается во время предшествующей работы двигателя или при первом запуске создается от постороннего источника.

В исходном состоянии, перед началом движения автомобиля силовая установка должна иметь необходимый запас энергии для преодоления инерционных сил при разгоне и сообщения кинетической энергии массе автомобиля, преодоления силы тяжести на подъеме. Для обеспечения упомянутого запаса накапливают энергию в маховике или аккумуляторе обратимой электрической машины, приведя в действие двигатель, сжигая в нем топливо и передавая энергию на соответствующий исполнительный механизм 12 накопителя энергии, как это описано ниже.

Управляемые клапаны 13, 14, 15, 16, 17 устанавливают в положение, приведенное на чертеже. Поршень 2 при этом приводится в верхнюю мертвую точку цилиндра 1 двигателя.

По команде от системы управления 8 соответствующие приводы открывают клапаны 14 и 15, в цилиндр 1 из ресивера 10 поступает сжатый воздух, а из промежуточной емкости 18 через устройство 6, которым в случае цикла Дизеля и соответствующего давления сжатого воздуха является форсунка, поступает топливо. Количество сжатого воздуха определится объемом мертвого пространства цилиндра 1, а доза топлива - объемом промежуточной емкости 18, после чего клапаны 14 и 15 перекрываются. При смешивании топлива с воздухом высокого давления происходит самовоспламенение смеси, доза топлива сгорает с образованием рабочих газов при максимальной температуре цикла.

В варианте реализации цикла с меньшим давлением сжатого воздуха в устройстве 6 при открытии клапанов 14 и 15 производится смешивание сжатого воздуха и топлива и поджог смеси искрой свечи зажигания, генерируемой по команде от системы управления 8.

Под действием давления рабочих газов поршень 2 приводится в движение, причем в начале движения давление на дифференциальные площадки поршня со стороны устройства сжатия воздуха и гидравлического насоса мало и поршень движется с ускорением (на чертеже слева - направо). При движении поршня происходит сжатие воздуха в ступенях устройства сжатия 7 и вытеснение жидкости из цилиндра гидравлического насоса 3 через открытый клапан 16.

Поступивший в первую ступень устройства 7 из атмосферы воздух вытесняется в промежуточный ресивер 11, а воздух при давлении промежуточного ресивера вытесняется в ресивер 10. Давление сжатого воздуха в ресивере 10 достигает при этом величины порядка 100 атм. В варианте исполнения устройства сжатия воздуха 7 одноступенчатым сжимаемый воздух поступает сразу в ресивер 10 при более низком давлении, что соответственно требует другой конструкции устройства 6 подачи и зажигания топлива, описанной выше.

Так как гидравлическая система полностью заполнена жидкостью, в гидроаккумуляторе 5 происходит упругая деформация жидкости на величину вытесняемого из насоса 3 объема. Деформация жидкости происходит одновременно в аккумуляторе 5 и промежуточной емкости 18. Затем промежуточная емкость 18 отсекается от гидроаккумулятора 5 обратным клапаном. Давление жидкости при этом достигает величины порядка 500 атм.

Так как при движении поршня 2 увеличивается давление на его дифференциальные площадки, энергия рабочих газов в цилиндре 1 расходуется на преодоление возникающего сопротивления противодавления и разгон массы поршня. К моменту выравнивания гидравлического давления с противоположных сторон поршня 2 последний приобретает соответствующую скорость движения. При дальнейшем движении поршня накопленная им энергия движущейся массы преобразуется в энергию сжатого воздуха и деформированной жидкости, а продолжающееся увеличение объема рабочих газов соответственно понижает их температуру и давления, реализуя тем самым продолженное расширение газов.

При достижении поршнем 2 нижней мертвой точки (крайнее правое положение на чертеже) от системы 8 поступает сигнал на привод клапана 16 и последний перекрывается, замыкая в гидроаккумуляторе 5 сдеформированную жидкость. Энергия деформации жидкости при этом равна импульсу, полученному от сжигания дозы топлива в цилиндре 1.

При перекрытых клапанах 15, 16, 17 полученный импульс энергии хранится в виде упруго деформированной жидкости в гидроаккумуляторе 5 и промежуточной емкости 18. При этом, в отличие от энергии рабочих газов, которую невозможно сохранить сколь-нибудь достаточно длительное время, энергию деформации можно сохранять как угодно долго.

В промежуточной емкости 18 хранится при этом незначительная часть энергии деформированной жидкости. Объем промежуточной емкости 18 составляет величину не более 0,01-0,02 от объема гидроаккумулятора 5. Так как параметры процесса сжигания топлива в цилиндре 1 постоянны, объем промежуточной емкости 18 рассчитывают таким образом, чтобы жидкость, сдеформированная в ней при создании импульса, представляла собой дозу топлива для одного рабочего цикла, величина которой также постоянна.

Система управления 8 в соответствии с заданной оператором программой, с учетом положения исполнительного механизма 12, контролируемого датчиком 9, и его функциональным назначением (колесо автомобиля, привод накопителя энергии и т.п.) в нужный момент времени вырабатывает сигнал на открытие клапана 17. При этом гидроаккумулятор 5 и гидромотор 4 соединяются, за счет импульса деформации жидкости поршень гидромотора перемещается, совершая рабочий ход и передавая энергию исполнительному механизму 12. Так как величина объема жидкости в гидроаккумуляторе 5 и гидромоторе 4 на величину дозы топлива, поступившей в промежуточную емкость 18, меньше, чем объем жидкости в гидроаккумуляторе 5 и в насосе 3, давление жидкости в гидроаккумуляторе 5 снижается ниже, чем давление при заполнении гидросистемы, и из емкости 19 поршнем 20 вытесняется через обратный клапан дополнительный объем жидкости, компенсирующий расход топлива.

При движении исполнительного механизма 12 в направлении, обратном рабочему, система 8 вырабатывает сигнал на открытие клапанов 16 и 13. Жидкость из цилиндра гидромотора вытесняется в гидроаккумулятор 5, и соответствующий объем жидкости вытесняется в цилиндр насоса 3. Давление в гидросистеме при этом сохраняется по величине близким к давлению заправки, так как перетекаемые объемы невелики и гидравлические потери при этом пренебрежимо малы.

Вытесняемый жидкостью поршень 2 перемещается в исходное состояние (верхнюю мертвую точку двигателя, крайнее левое положение на чертеже). Отработавшие газы через открытый клапан 13 выбрасываются, а через обратный клапан и воздухозаборник в устройство 7 сжатия воздуха поступает свежий заряд. При выполнении устройства 7 двухступенчатым в его вторую ступень поступает воздух из ресивера 11, сжатый первой ступенью на предыдущем рабочем ходе. При достижении поршнем крайнего положения клапаны 13 и 17 закрываются и установка приходит в исходное состояние, ожидая следующей команды от программы системы управления 8.

В связи с тем, что гидромотор 4 и гидронасос 3 полностью обратимы, в заявляемой установке реализуется процесс рекуперации энергии, при котором гидромотор под действием исполнительного механизма 12 создает импульс деформированной жидкости в гидроаккумуляторе 5 (клапан 16 при этом должен быть закрыт) и, как описано выше, импульс деформированной жидкости по сигналу, вырабатываемому системой 8, может быть передан другому исполнительному механизму, передающему энергию накопителю (маховику, приводу обратимой электрической машины и т.п.). Таким образом, например, при торможении автомобиля возвращается энергия, затраченная на его разгон. Заявляемая установка обеспечивает разгон и торможение без потерь энергии. Тем самым она подобна маятнику или пружине и может быть названа энергетическим маятником.

Регулирование работы заявляемой силовой установки осуществляется изменением частоты вырабатываемых двигателем импульсов деформированной жидкости и (или) изменением направления передачи импульса деформированной жидкости от одного элемента установки к другому. Эти изменения производятся по сигналам от системы управления 8, как это описано выше. Сигналы вырабатываются системой 8 по программе, задаваемой оператором, которая учитывает положение исполнительных механизмов, контролируемое датчиками 9, общие параметры эксплуатации машины, например скорость движения автомобиля, необходимость ее изменения и т. п., а также положение в конкретный момент времени элементов силовой установки в каждой гидравлической линии.

Изменением частоты сжигания топлива в цилиндре двигателя можно регулировать мощность двигателя. Это принципиально новый способ, позволяющий получить любую наперед заданную среднюю мощность без изменения наполняемости цилиндров и состава рабочей смеси. Настройка схемы на конкретный режим может осуществляться практически мгновенно (точнее в течение одного хода плунжера) за счет изменения программы переключения соответствующих клапанов. Это позволяет использовать частотный (импульсный) способ управления мощностью, при котором вес заряда в цилиндре и состав топливно-воздушной смеси остаются постоянными. При этом соотношение между массой топлива и воздуха может быть подобрано таким образом, чтобы процентное содержание вредных выбросов в выхлопных газах постоянно поддерживалось на минимальном уровне.

Частотный принцип управления мощностью требует принципиально новой организации рабочего процесса, когда ДВС может прекратить выработку механической энергии на любом шаге, а на любом другом - совершить рабочий ход. Такая возможность обеспечивается резервированием сжатого воздуха в ресивере 10, что позволяет создать рабочий процесс силовой установки с встроенным процессом запуска ДВС и обеспечить появление существенного крутящего момента при нулевой скорости вращения колеса исполнительного механизма 12.

При частотном управлении полезная мощность может изменяться в весьма широких пределах. В сочетании с возможностью нагружения двигателя "с места" получаем характеристику двигателя, который может работать без коробки передач и без сцепления, что позволяет напрямую соединить двигатель с колесом.

Частотное управление принципиально является программным и может быть реализовано с помощью системы управления 8, выполненной на основе микропроцессора, который подготавливает программу исполнения рабочих ходов, похожую на программу для станков с числовым программным управлением, когда чередование рабочих ходов отражается двоичным кодом.

Таким образом предложенная силовая установка, передавая вырабатываемую ее функциональными элементами механическую энергию колесам автомобиля по заявляемому способу, обеспечивает:
- высокую литровую мощность и малый вес двигателя,
- высокую экономичность,
- бесшумность,
- возможность трогания с места одновременно с запуском ДВС,
- отсутствие коробки передач.

Расчеты, выполненные авторами, показали, что для автомобиля типа "Жигули", чтобы разогнать его от 0 до 90 км/ч за 10 с, гидроимпульсная передача из трех линий при рабочей жидкости с модулем упругости E = 15000 кг/см² и максимальном создаваемом давлении в 600 кг/см² (что реализуется известными на сегодня в технике средствами) имеет следующие параметры:
диаметр поршней насоса и гидромотора - 1,25 см;
ход поршней - 1,5 см;
объем гидроаккумулятора - 46,3 см³.

Расчеты показали, что для автомобиля типа "Жигули" при движении за городом расход топлива при использовании заявляемого изобретения уменьшается до 2 л на 100 км пути, что безусловно делает такой автомобиль конкурентоспособным с самыми современными автомобилями.

Полученные в результате расчета габариты и параметры силовой установки позволяют существенно снизить массогабаритные характеристики автомобиля, причем используя известные материалы и конструктивные элементы, что безусловно делает такой автомобиль конкурентоспособным с самыми современными.

Изобретение относится к области машиностроения и позволяет повысить экономичность автомобиля. Силовая установка машины содержит цилиндр 1 двигателя с установленным в нем дифференциальным поршнем 2, гидравлическую систему, включающую гидравлический насос 3 с приводом от дифференциального поршня 2, гидромотор 4, гидроаккумулятор 5, устройство подачи и зажигания топлива 6, устройство сжатия воздуха 7, а также систему управления 8, снабженную датчиками положения 9. Устройство сжатия воздуха 7 выполнено с приводом от промежуточной ступени дифференциального поршня 2 и снабжено ресивером 10. Система управления 8 выполнена программируемой, датчики положения 9 установлены на исполнительном механизме - колесе 12. К системе 8 с помощью исполнительных механизмов подключены управляемые клапаны, установленные на выхлопе газов из цилиндра двигателя 13, подаче в этот цилиндр сжатого воздуха 14 и топлива 15, на выходе из гидравлического насоса 16 и на выходе в гидромотор 17. В качестве рабочей жидкости гидравлической системы используют топливо, сжигаемое в цилиндре двигателя. 3 с. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы силовой установки машины, при котором сжигают смесь воздуха и топлива в цилиндре с подвижным поршнем, превращают тепловую энергию рабочих газов в механическую и передают последнюю исполнительному механизму с помощью гидравлической энергии сжатой жидкости, при этом часть энергии используют для сжатия воздуха, подаваемого в цилиндр, отличающийся тем, что в каждом цикле топливо в цилиндре двигателя сжигают при одних и тех же параметрах процесса, при этом гидравлическую энергию получают, хранят и передают в виде энергии деформированной жидкости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух и жидкость сжимают сначала за счет энергии рабочих газов, а затем за счет энергии движущейся массы поршня, при этом воздух сжимают вне цилиндра двигателя до параметров начала сжигания топлива. 3. Способ регулирования работы силовой установки машины, заключающийся в изменении количества вырабатываемой двигателем энергии путем изменения количества подаваемого в цилиндр топлива, в накоплении части энергии для использования по мере надобности и в передаче исполнительному механизму такого количества энергии, которое необходимо ему для совершения полезной работы, отличающийся тем, что количество вырабатываемой двигателем энергии изменяют путем изменения частоты циклов сжигания топлива в цилиндре двигателя, а количество энергии, передаваемой исполнительному механизму, регулируют путем изменения частоты передаваемых импульсов деформированной жидкости, при этом разницу вырабатываемой двигателем и потребляемой исполнительным механизмом энергии компенсируют за счет импульса, находящегося в аккумуляторе. 4. Силовая установка машины, содержащая цилиндр двигателя с установленным в нем дефференциальным поршнем, гидравлическую систему, включающую гидравлический насос с приводом от дифференциального поршня, гидромотор, гидроаккумулятор, трубопроводы и клапаны, устройство подачи и зажигания топлива, устройство сжатия воздуха, а также систему управления, подключенную к клапанам и снабженную датчиками положения, отличающаяся тем, что устройство сжатия воздуха выполнено с приводом от промежуточной ступени дифференциального поршня и снабжено ресивером, при этом объем цилиндра устройства сжатия воздуха выполнен в 1,5 - 3,0 раза меньшим, чем объем цилиндра двигателя. 5. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что устройство сжатия воздуха выполнено двухступенчатым, при этом объем цилиндра первой ступени устройства выполнен в 1,5 - 3,0 раза меньшим, чем объем цилиндра двигателя. 6. Установка по п.4, отличающаяся тем, что система управления выполнена программируемой, датчики положения установлены на исполнительном механизме и к системе подключены клапаны, установленные на выхлопе газов из цилиндра двигателя, подаче в этот цилиндр сжатого воздуха и топлива, на выходе из гидравлического насоса и на выходе в гидромотор. 7. Установка по п.4, отличающаяся тем, что в одном цилиндре двигателя размещено два дифференциальных поршня, установленных оппозитно. 8. Установка по п.4, отличающаяся тем, что в качестве рабочей жидкости гидравлической системы используют топливо, сжигаемое в цилиндре двигателя. 9. Установка по п.4, отличающаяся тем, что устройство зажигания и подачи топлива соединено с гидроаккумулятором через промежуточную емкость, снабженную обратным клапаном. 10. Установка по п.4, отличающаяся тем, что к одному гидроаккумулятору подключено несколько гидромоторов через отдельные, подключенные к системе управления клапаны. 11. Установка по п.4, отличающаяся тем, что к одному гидромотору подключено несколько гидроаккумуляторов через отдельные, подключенные к системе управления клапаны. 12. Установка по п.4, отличающаяся тем, что к нескольким гидроаакумуляторам подключено несколько гидромоторов через гидравлический переключатель, подключенный к системе управления.