УПРАВЛЕНИЕ МОЩНОСТЬЮ МОДУЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B71/00 

Изобретение входит в сферу применения поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Предлагаемый способ управления мощностью двигателя внутреннего сгорания предполагает использование принципа работы свободнопоршневых генераторов газов, описание которых даны в монографии кандидата технических наук П.А.Шелеста "Безвальные генераторы газов" Машгиз, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, М., 1960.

Принцип работы свободнопоршневого генератора газов. Перед пуском поршни машины 1 /см. фиг.1/ и соединенные с ними поршни компрессора 2 разводятся в крайние положения. Из пускового резервуара в буферные полости 3 подается сжатый воздух, который встречно толкает поршни компрессора и машины. Поршни сближаются и сжимают воздух в камере сгорания 4. Воздух из полостей компрессора 5 через перепускные клапаны 6 перетекает в воздушный ресивер 7. В момент, близкий к максимальному сближению поршней, в камеру сгорания форсункой 8 подается топливо. Топливо воспламеняется и продукты сгорания, расширяясь, меняют направление движения поршней. Атмосферный воздух через впускные клапаны 9 поступает в полости компрессора, а воздух в буферных полостях сжимается. Перед достижением поршнями крайних положений последовательно открываются выпускные 10, а затем впускные 11 окна. Продукты сгорания и часть продувочного воздуха из воздушного ресивера через впускные и выпускные окна поступает в сглаживающий пульсации давления газовый ресивер 12 и далее на турбину 13. Крутящий момент снимается с вала турбины 14. В момент достижения крайних положений поршни под воздействием воздуха в буферных полостях меняют направление движения и рабочий цикл повторяется. Управление мощностью свободнопоршневых генераторов газов производится изменением частоты рабочих циклов путем варьирования дозы подаваемого в камеру сгорания топлива на каждый рабочий цикл.

Сущность изобретения. Основная особенность принципа работы свободнопоршневых генераторов газов состоит в том, что между поршнями машины и валом отбора мощности отсутствует жесткая кинематическая связь. Именно в силу этой особенности оказывается возможным реализовать управление мощностью не дозированием топлива, а соответствующим нагрузке изменением временных интервалов между рабочими циклами при постоянстве подаваемых на каждый рабочий цикл масс топлива и воздуха.

Конструктивно такой двигатель может оформляться как единичный модуль, в состав которого входят все необходимые для обеспечения его работоспособности устройства, или в виде комплекса нескольких однотипных модулей, объединенных общей системой управления. Поэтому двигатель с предлагаемым способом управления мощностью условно назовем модульным двигателем.

Необходимое условие реализации предлагаемого способа управления мощностью двигателя - отсутствие жесткой обратной связи между характером нагрузки и законом движения поршней. Поэтому кинетическая энергия поршней должна передаваться на вал отбора мощности способами, исключающими эту обратную связь - пневматическим, гидравлическим, электрическим и другими способами.

Принцип действия модульного двигателя. При иллюстрации принципа действия модульного двигателя предполагается, что кинетическая энергия поршней передается на вал отбора мощности электрическим способом.

Модуль состоит из машины, преобразующей химическую энергию топлива в кинетическую энергию поршней, системы управления длительностью задержек поршней и параметрами рабочих циклов, электродвигателя вала отбора мощности.

Система управления длительностью задержек поршней и параметрами рабочих циклов 1 /см. фиг.2/ обеспечивает работу автоматики модуля и включает акселератор 2, процессор 3, коммутатор 4, аккумулятор 5, комплект датчиков параметров рабочего цикла 6 и фиксаторы поршней в исходных состояниях 7.

Электродвигатель вала отбора мощности 8 преобразует генерируемую в соленоидах 9 электроэнергию в крутящий момент вала отбора мощности.

Если перед пуском поршни машины 10 и соединенные с ними поршни компрессора 11 находятся не в исходных положениях, процессор подает сигнал на коммутатор, который подключает аккумулятор к соленоидам. Импульс электроэнергии соответствующей полярности поступает на соленоиды и возникающие при этом магнитные поля соленоидов разводят поршни в исходные положения. Для обеспечения готовности машины к началу рабочего цикла поршни удерживаются фиксаторами поршней, а датчики положения поршней сигнализируют об исходном положении поршней на процессор.

При пуске двигателя сигнал с акселератора поступает на процессор, который через коммутатор подключает аккумулятор к обмоткам соленоидов и подает сигнал на фиксаторы поршней. Фиксаторы освобождают поршни, а протекающий по обмоткам соленоидов ток создает магнитные поля определенной напряженности и направления, в результате чего поршни машины и компрессора начинают встречное движение. Величина тока в обмотках соленоидов определяется процессором на основе данных о массе и физико-химических свойств, поступающих в камеру сгорания топлива и воздуха таким образом, чтобы закон движения поршней обеспечил необходимые для полного сгорания топлива давления при минимальном времени рабочего цикла. Воздух из полостей компрессора 12 через перепускные клапаны 13 поступает в ресивер 14. Вблизи точки максимального сближения поршней процессор форсункой 15 подает топливо в камеру сгорания 16. Топливо воспламеняется и продукты сгорания, расширяясь, меняют направление движения поршней. Атмосферный воздух через впускные клапаны 17 поступает в полости компрессора. Последовательно открываются выпускные 18 и впускные 19 окна. Отработанные газы через коллектор выхлопных газов 20 вытекают наружу, а воздух из ресивера через впускные и выпускные окна продувает цилиндр. Одновременно при движении поршней от центра к периферии в обмотках соленоидов генерируется электродвижущая сила и через коммутатор поступает на электродвигатель вала отбора мощности и на аккумулятор. Аккумулятор заряжается до уровня, необходимого для обеспечения энергией инициирования очередного рабочего цикла. При работе модуля в режиме максимальной мощности рабочий цикл повторяется сразу же без перерыва. В случае частичных нагрузок на модуль процессор устанавливает временной интервал задержки поршней между рабочими циклами обратно пропорциональный величине снижения вырабатываемой мощности, а при увеличении нагрузки временной интервал сокращается вплоть до нуля.

Из описания принципа действия модульного двигателя видно, что процесс управления мощностью расчленен на два независимых друг от друга процесса - на процесс маневрирования текущей мощностью двигателя изменением длительности временных интервалов между рабочими циклами и не зависимый от характера нагрузки на двигатель процесс дозирования масс топлива и воздуха, подаваемых в камеру сгорания на каждый рабочий цикл, в сочетании со степенью сжатия рабочего тела в соответствии с физико-химическими характеристиками используемого топлива. Отсутствие жесткой обратной связи между характером нагрузки на двигатель и законом движения поршней позволяет в широких пределах управлять параметрами рабочих циклов, обеспечивая двигателю наряду с высокими экологическими экономическими показателями еще и свойства многотопливного двигателя. В зависимости от конкретных условий эксплуатации транспортного средства на передний план могут выдвигаться требования высокой экологичности или повышенной мощности двигателя. Для их удовлетворения в системе управления длительностью задержек поршней и параметрами рабочих циклов предусматривается переключатель режимов работы двигателя с экологического на форсированный режим.

Маневрирование длительностью временных интервалов между рабочими циклами обеспечивает двигателю предельно высокую приемистость. Минимальное время выхода двигателя на режим полной мощности от нулевой до максимальной ограничивается только временем единичного рабочего цикла и инерционностью электродвигателя вала отбора мощности. Кроме того, теряет смысл само понятие холостого хода, так как пуск двигателя происходит, по сути дела, каждый раз в начале каждого рабочего цикла. Двигатель работает только тогда, когда требуется тяговое усилие движителя. При движении транспортного средства под уклон, по инерции и на остановках, даже самых коротких, двигатель не включается.

Выше упоминалось, что по аналогии с многоцилидровым двигателем модульный двигатель может оформляться в виде комплекса однотипных модулей под контролем общей системы управления. В многомодульном варианте управление мощностью двигателя может осуществляться изменением временных интервалов между рабочими циклами одного или нескольких модулей последовательно либо параллельно. К основным особенностям многомодульных двигателей прежде всего следует отнести:
- живучесть - выход из строя одного или даже нескольких модулей во время движения транспортного средства лишь частично снизит динамические характеристики двигателя, но не лишит его работоспособности и водителю необязательно выходить из кабины и даже прерывать движения;
- повышенная ремонтоспособность - восстановление работоспособности двигателя в полном объеме может производиться заменой неисправного модуля на исправный или морально устаревшего на модернезированный;
- пластичность архитектуры - возможность размеoать элементы двигателя и даже модули целиком в различных местах транспортного средства.

Перечисленные качества многомодульных двигателей могут оказаться полезными для использования их как на городском транспорте, так и при оснащении боевых машин и транспортных средств, предназначаемых для работы в тяжелых условиях в значительном отрыве от средств ремонта и обслуживания. В автомобильных салонах появится новый вид предпродажной подготовки - комплектация транспортного средства модулями различной модификации по желанию покупателя. Возможно также и поэтапное наращивание модульной кратности или частичная комплектация двигателя модулями.

На фиг. 1 дана принципиальная схема генератора газов со свободнодвижущимся поршнями.

На фиг.2 - принципиальная схема модульного двигателя.

Изобретение относится к области энергомашиностроения и позволяет повысить экономичность свободнопоршневых двигателей при работе на режимах частичных нагрузок. Оперативное управление мощностью двигателя осуществляется изменением длительности временных интервалов между рабочими циклами путем задержки поршней в исходных для совершения очередного рабочего цикла положениях на время, обратно пропорциональное величине потребной мощности. Организация процессов сгорания топлива и расширения продуктов сгорания в цилиндре двигателя осуществляется под контролем системы управления. 2 ил.

Способ управления мощностью свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что оперативное управление мощностью двигателя осуществляется изменением длительности временных интервалов между рабочими циклами или между сериями непрерывно следующих друг за другом рабочих циклов задержкой поршней двигателя в исходных для совершения очередного рабочего цикла положениях на время, обратно пропорциональное величине вырабатываемой двигателем текущей мощности, для чего в структуре двигателя предусматривается система управления длительностью временных интервалов между рабочими циклами или между сериями непрерывно следующих друг за другом рабочих циклов, посредством которой оператор осуществляет управление текущей мощностью двигателя, а организация процессов сгорания топлива и расширения продуктов сгорания в цилиндре двигателя с целью их оптимизации происходит под контролем системы управления параметрами рабочих циклов автономно от характера нагрузки на двигатель, для чего кинематическая энергия поршней передается на вал отбора мощности двигателя способами, исключающими зависимость параметров рабочих циклов от характера нагрузки на двигатель.