МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА МОДУЛЬНОГО ТИПА Российский патент 2001 года по МПК F02B71/04 F04B9/04 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в судо- и автостроении, на транспорте, в энергетике.

Известные двигатели внутреннего сгорания, собранные по традиционной схеме, имеют большой вес из-за необходимости исполнения блока цилиндров и картера из достаточно толстого чугуна для получения необходимых прочностных характеристик, определяемых усилиями в кривошипно-шатунном механизме, который сам по себе является сложным, тяжелым и дорогим изделием, потребляющим на себя до 50% механических потерь двигателя. В таких схемах двигателей внутреннего сгорания очень сложно изменять степень сжатия, требуется высокая точность при соединении с трансмиссией, сложная центровка, балансировка, тяжелая трансмиссия. Известен свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания (патент РФ N 2018004, 5 F 02 B 71/04, бюл. N 15 от 15.08.94 г.), который решает проблему регулировки степени сжатия, но только изменением диапазона хода поршня, при неизменном рабочем объеме цилиндра. В нем трудно осуществить синхронизацию фаз газораспределения, не решена проблема охлаждения рабочей жидкости, недостатком является и то, что двигатель не сможет работать на одном цилиндре.

Известен двухтактный поршневой двигатель, выбранный в качестве прототипа (патент РФ N 2101524, 6 F 02 B 75/22, 75/32, опубл. 10.01.98 г., бюл. N 2, 1998 г. ), снабженный толкателем, скользящим в корпусе двигателя по направляющим. Толкатель имеет на конце ролик, который воздействует на коренной вал, имеющий в сечении многогранник, при этом двигатель снабжен коромыслом, являющимся равноплечим рычагом, соединенным с толкателями поршней двух соседних цилиндров. Недостатками этого двигателя является невозможность работы на одном цилиндре, использование только жестких толкателей, невозможность подсоединить к рычагу более двух цилиндров, громоздкость коренного вала, неизменность степени сжатия, невозможность модульного исполнения.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка многофункциональной силовой установки модульного типа с возможностью маневрирования мощностью при передаче энергии нескольким потребителям.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в увеличении ресурса за счет отключения ненужных модулей и отсутствия шатунов, в уменьшении веса пусковых устройств, в повышении живучести силовой установки при механических повреждениях, отсутствии вибрации из-за отсутствия коленчатого вала, в уменьшении веса за счет отсутствия картера и корпуса блока цилиндров, в изменении степени сжатия в ходе работы в любом цилиндре, в улучшении ремонтопригодности.

Сущность изобретения состоит в том, что многофункциональная силовая установка модульного типа содержит, по крайней мере, одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания (модуль) с поршнем 5 (фиг. 1), выполненным с возможностью охлаждения, толкатель 13, имеющий устройство для его разъединения 14 и устройство для распределения энергии по потребителям 15, выполнен жестким 25 (фиг. 7), гибким 13 (фиг. 1) или комбинированным, снабженным устройством для изменения степени сжатия. Система газораспределения, включающая в себя устройства для подачи топлива, воздуха (или рабочей смеси - в зависимости от исполнения), отвода выхлопных газов, выполнены в верхнеклапанном исполнении в виде электроуправляемых клапанов 2 (фиг. 1) и форсунок (или свечей) 1, а синхронизация фаз газораспределения достигается посредством этих же электроуправляемых клапанов либо посредством распределительного вала 39 (фиг. 6, 7) с расцепляемыми муфтами 40, причем привод распределительного вала осуществляется посредством гибкого вала 38.

Механизмы преобразования механической энергии, с которыми взаимодействует модуль, выполняются, предпочтительно, в виде кривошипно-шатунного механизма 21 (фиг. 1, 3), насоса 20 или рычажно-дискового преобразователя 19, но возможны и другие.

Рычажно-дисковый преобразователь (синонимы: рычажно-дисковый механизм, рычажно-дисковый преобразователь механической энергии) выполнен из отклоняемого диска 28 (фиг. 2,а), посаженного по центру на подвижном винтовом кронштейне 26 со сферическим шарниром 27, и при своем отклонении либо толкающего по окружности диска 28 ролик (или шестерню) 29 (при исполнении в виде вариатора - фиг. 5 - имеет возможность радиального перемещения), и вращающий радиальный шип 30 и связанный с ним силовой вал 34 под действием волны диска 28, либо передающий возвратно-поступательное поступательное движение поршню 35 насоса (фиг. 2,b), либо совмещающего в себе две последние функции сразу (фиг. 2,c).

Для ограничения отклонения диска 28 (фиг. 2,a) при изменении степени сжатия в цилиндре модуля в рычажно-дисковом преобразователе механической энергии применена подвижная шайба 31, перемещаемая электромотором 32.

Изменение хода поршня, а значит и степени сжатия в цилиндре модуля при применении в толкателе жидкого тела, возможно также осуществить устройствами для изменения степени сжатия тела толкателя, которое осуществляется посредством либо поршня 44 (фиг. 3), размещенного в цилиндре 45, посаженного на винтовой шток и соединенного с магистралью толкателя 13, приводимого в движение устройством вращения (электродвигателем) 32, либо винтовой муфтой 12, стягивающей оплетку толкателя 11 и 13.

Поршень 5 модуля 3 (фиг. 1) выполнен с внутренней полостью 6, заполняемой охлаждающей жидкостью, поступающей через клапаны 62 из рубашки охлаждения 63 при его возвратно-поступательном движении.

Распределительное и разъединительное устройство для толкателя с твердым телом (жесткого толкателя) выполнено в виде центрального ползуна 59 (фиг. 4), соединенного толкателем 54 с поршнем двигателя внутреннего сгорания (модуля), и радиально расположенных ползунов 55, 60, соединенных толкателями 58, 61 с механизмами преобразования механической энергии и соединяющихся с центральным ползуном 59 посредством фиксаторов 57.

На фиг. 1 изображен модуль силовой установки с вариантами преобразователей механической энергии.

На фиг. 2 изображены варианты исполнения рычажно-дисковых преобразователей механической энергии:
a) для получения крутящего момента;
b) для перекачки газовой или жидкой среды;
c) комбинированный механизм.

На фиг. 3 изображена принципиальная гидравлическая схема при использовании в толкателях жидкого тела.

На фиг. 4 изображен механизм для разъединения гибкого толкателя с твердым телом или жесткого толкателя.

На фиг. 5 изображено исполнение рычажно-дискового механизма в качестве вариатора.

На фиг. 6 изображено исполнение силовой установки модульного типа для питания одного потребителя.

На фиг. 7 изображен двигатель внутреннего сгорания с жесткими толкателями.

Многофункциональная силовая установка модульного типа содержит по крайней мере один модуль двигателя внутреннего сгорания, толкателя, устройство распределения механической энергии по потребителям, устройство разъединения толкателей, механизмы преобразования механической энергии.

Модуль двигателя внутреннего сгорания 3 (фиг. 1) содержит электроуправляемые форсунку 1 и клапаны 2, цилиндр 4, рубашку охлаждения 63 с клапанами 62 для перепуска жидкости в полость охлаждения 6 поршня 5, шток 7 с поршнем 9 для воздействия на тело толкателя 10, датчик положения поршня 8, устройства для изменения степени сжатия тела толкателя в виде винтовой муфты 12 или поршня 44 (фиг. 3) в цилиндре 45, устройство распределения потоков энергии 14, устройства для разъединения тела толкателя 15, магистрали толкателя 11, 13, 16, 17, 18, механизмы преобразования механической энергии 19, 20, 21.

Рычажно-дисковый преобразователь механической энергии (фиг. 2) содержит цилиндры штоков толкателей 24 с толкателями 25, электродвигатель 26 винтового кронштейна 66, дисковый рычаг (диск) 28, сферический шарнир 27, ролик (шестерня) 29, радиальный шип 30, подвижную упорную шайбу 31 с приводным электродвигателем 32, маховик 33, силовой вал 34, поршни насоса 35 на штоках 36, 37.

Разъединитель толкателя с жестким или твердым телом (фиг. 4) содержит штоки толкателей 54, 58, 61, центральный ползун 59, ползуны преобразователей механической энергии 55, 50 с фиксаторами 57 и электромагнитами 56.

Многофункциональная силовая установка модульного типа работает следующим образом. Модули, из которых состоит двигатель силовой установки, работают по двух- или четырехтактному циклу, причем каждый модуль имеет свою собственную систему синхронизации фаз газораспределения, состоящую из электроуправляемых форсунок 1 (фиг. 1) и клапанов 2, датчика положения поршня 8, который определяет положение поршня 9, а вместе с ним и положение поршня 5 в цилиндре 4 модуля 3. Блок управления (не показан) обеспечивает очередность протекания тактов рабочего цикла. При этом в такте рабочего хода давление воспламененных расширяющихся газов передается от поршня 5 через шток 7 на поршень 9 и далее на тело толкателя 10, заключенное в оплетку 11, которая проходит через устройство распределения - для жидкого тела толкателя это электроуправляемый гидрораспределитель 14 (фиг. 3), для участка с жестким телом (в комбинированном или жестком толкателе) это устройство разъединения толкателя и распределения энергии (устройство разъединения и распределения - фиг. 4). Шток гибкого толкателя 54 соединен с ползуном 59, совершающим возвратно-поступательные движения в такт с поршнем модуля. Радиально расположенные ползуны 55, 60 посредством штоков 58, 61 связаны каждый со своим преобразователем механической энергии и при освобождении электромагнитом 56 фиксаторов 57 происходит их соединение и тем самым передается давление газов в модуле на преобразователь механической энергии, которым может быть любой преобразователь - рычажно-дисковый, кривошипно-шатунный, аксиально-поршневой и т.д.

При использовании кривошипно-шатунного преобразователя механической энергии 21 (фиг. 1) цилиндр 24 помещен в сферический шарнир и выполняет роль шатуна, вращая кривошип 22, а вместе с ним силовой вал 23, при этом к одной шейке кривошипа можно подключить необходимое количество цилиндров от других модулей.

Модуль силовой установки (фиг. 1) снабжен индивидуальной системой охлаждения. Охлаждающая жидкость поступает из рубашки охлаждения 63 цилиндра 4 к полостям 6 в поршне 5 по каналам и под действием возвратно-поступательного движения поршня 5 и посредством клапанов 62 однонаправленно прокачивается через полость 6 снова в рубашку охлаждения 63, где смешивается с охлаждающей жидкостью, направляющейся в общий радиатор охлаждения (не показан).

Рычажно-дисковые преобразователи механической энергии (рычажно-дисковые преобразователи или механизмы) могут исполняться в виде механизма для получения крутящего момента (фиг. 2,a), либо в качестве насоса (фиг. 2,b), либо комбинированными - совмещающими вышеописанные функции (фиг. 2,c), либо в качестве вариатора (фиг. 5).

Рычажно-дисковый преобразователь механической энергии работает следующим образом. В такте рабочего хода давление от поршня модуля 5 (фиг. 1) по толкателю 13 поступает на шток 24 (фиг. 2,a). Осевая сила штока 25 отклоняет диск 28, посаженный по центру на сферический шарнир 27. Окружная составляющая этой силы вытесняет с определенным ускорением ролик (или шестерню) 29, который обегает по окружности диска 28, толкаемый его волной, и тем самым вращает шип 30, а вместе с ним и силовой вал 34, создавая крутящий момент. Инерция маховика 33 позволит валу совершить полный оборот (в случае работы на одном модуле) и тем самым ролик 29 заставит диск 28 отклониться и вдавить шток 25 в цилиндр 24, что приводит к сжатию воздуха или рабочей смеси в цилиндре модуля и после впрыска топлива или воспламенения запальной свечой - к началу такта рабочего хода. После прохождения роликом 29 точки соприкосновения штока толкателя с поверхностью диска, который представляет собой равноплечий рычаг, выдвижение штока 25, обусловленное тактом рабочего хода, заставит противолежащий шток вдавиться и с такой же силой сжать воздух или рабочую смесь в модуле, который соединен с этим штоком, а на ролик 29 будет действовать радиальная сила от волны, возникающей при отклонении диска 28, которая и будет толкать ролик 29 по окружности диска и тем самым вращать вместе с радиальным шипом 30 и силовой вал 34. При компоновке рычажно-дискового механизма несколькими цилиндрами, расположенными по окружности диска 28, каждый шток толкателя в такте рабочего хода будет дополнительно увеличивать крутящий момент на силовом валу 34. Сферический шарнир 27 закреплен на винтовом кронштейне 66, при вращении которого электродвигателем 26 диск 28 будет приближаться или удаляться от края цилиндров штоков толкателей 24, тем самым будет изменяться угол отклонения диска 28, а значит будет меняться рабочий объем цилиндров модулей, соединенных магистралями с этими толкателями, что позволит регулировать степень сжатия в цилиндрах этих модулей. Для этой же цели служит упорная шайба 31, которая при вращении ее электродвигателем 32 будет менять свое положение относительно диска 28, тем самым менять угол его отклонения, что ведет к изменению степени сжатия в цилиндрах модулей, соединенных с этим механизмом. Оба этих варианта могут использоваться вместе или раздельно.

В рычажно-дисковом насосе штоки 36, 37 (фиг. 2,b), на которые посажены поршни 35 насоса, являются продолжением толкателей 25, а диск 28, являясь равноплечим рычагом, чередует работу модулей. Данный насос может работать при подключении к нему не менее двух модулей. Регулирование степени сжатия в цилиндрах модулей при работе с этим механизмом осуществляется также как в вышеописанном механизме.

Комбинированный рычажно-дисковый механизм-насос имеет цилиндр толкателя 24 (фиг. 2,c) и цилиндр с поршнем 35 насоса. При вращении радиального шипа 30 волной от наклона диска 28 при воздействии на его штоком толкателя 25 шток 36 поршня 35 насоса будет совершать возвратно-поступательные движения, тем самым перекачивая среду, при этом ролик 29, обегая по окружности диска 28, будет также вращать силовой вал 34. Регулирование степени сжатия в цилиндрах модулей при работе с этим механизмом осуществляется также как и при работе с вышеописанными механизмами.

Рычажно-дисковый вариатор является разновидностью рычажно-дискового механизма с той лишь разницей, что ролик 29 (фиг. 5) имеет возможность радиального перемещения относительно диска 28, и тем самым изменения радиусов взаимодействия с диском 28. Конструктивно ролик 29 посажен на шток 47 гидроцилиндра 50. При изменении давления в гидроцилиндре 50 шток 47 переместит ролик 29 на другой радиус, что позволит бесступенчатого изменять крутящий момент, который от ролика 29 проходит через редукторы 48, 49 и снимается с вала 34, при этом на валу 51 обороты будут постоянные. Момент инерции от выдвижения ролика 29 компенсируется поступающей по каналу 52 в гидроцилиндр 50 жидкостью. Диск 28 посажен на сферический шарнир 27, который в свою очередь посажен на кронштейн 53. Плавность вращения обеспечивается маховиком 33.

При использовании в толкателях многофункциональной силовой установки модульного типа жидкого тела принципиальная гидравлическая схема (фиг. 3) работает следующим образом. От модуля 3 жидкость поступает по трубопроводу 11, 13 на электроуправляемый гидрораспределитель 14, а от него по трубопроводам 16, 17, 18 через электроуправляемые устройства отключения 15 (двухпозиционные золотники) к преобразователям механической энергии: рычажно-дисковому механизму 19, гидромотору 20, кривошипно-шатунному механизму 21. На схеме гидрораспределитель 14 направил жидкость по трубопроводу 17 к рычажно-дисковому механизму через устройство отключения 15 (двухпозиционный золотник). Двухпозиционные золотники механизмов 20 и 21 в это время переключены в положение, когда жидкость переходит в гидроаккумуляторы 41. Туда же поступает жидкость из магистралей 16, 17, 18 при отключении модуля 3. При этом механизмы 19, 20, 21 могут работать от других модулей, но при необходимости увеличить мощность этих механизмов подключаются дополнительные модули. Синхронизация фаз газораспределения модуля 3 достигается тем, что датчик 8 отслеживает положение поршня в цилиндре модуля и подает сигналы на блок управления, который управляет электромагнитами клапанов 2, форсунок (или свечей) 1 модуля 3. В данном варианте энергия для привода клапанов и форсунки берется из гидроаккумулятора 42, в который жидкость накачивается насосом 43 из бака 46. Регулирование степени сжатия жидкого тела толкателя с целью регулирования степени сжатия в цилиндре модуля осуществляется посредством поршня 44, вытесняющим или втягивающим жидкость в цилиндр 45 из магистрали толкателя (трубопровода) 13, или винтовой муфтой 12, стягивающей оплетку магистралей толкателя (трубопровода) 11 и 13, тем самым изменяя ход поршня в цилиндре модуля.

При использовании в силовой установке жестких толкателей (штоков), воздействующих на рычажно-дисковый механизм, размеры ее уменьшаются, геометрия улучшается, что благоприятно для автостроения. Штоки 7 (фиг. 7) поршней 5 воздействуют на диск 28 и через него на ролик 29, который вращает радиальный шип 30, а с ним силовой вал 34. Синхронизация фаз газораспределения осуществляется либо электроуправляемыми клапанами и форсунками (не показано), либо распределительным валом 39, приводимым во вращение гибким валом 38 от редуктора 65. Цилиндры с поршнями 5 расположены по окружности диска 28. Для обеспечения четырехтактного цикла удобнее использовать нечетное количество цилиндров с порядком работы через один (например, -1-3-2-1-3... и т.д. - для трехцилиндрового; 1-3-5-2-4 и т.д. - для пятицилиндрового). При двухтактном цикле количество цилиндров не имеет значения.

При использовании силовой установки модульного типа для питания одного потребителя может быть использована схема, когда распределительные валы 41 (фиг. 6) модулей 3 соединены расцепляемыми муфтами 40, а толкатели 11 снабжены устройствами разъединения 15. Для привода распределительных валов 41 модулей 3 используется дополнительный вал 64, получающий крутящий момент от гибкого вала 38 и редуктора 65. Такая схема позволит отключать ненужные модули при снижении нагрузки на преобразователе механической энергии, а также заменять любой модуль, не прерывая работы всей установки. Для замены модуля необходимо разъединить толкатель устройством разъединения 15, разъединить муфты 40 слева и справа от модуля, отключить питающие магистрали и заменить модуль.

Таким образом, осуществление модульного принципа компоновки силовой установки позволит собирать ее в любой конфигурации и мощности или ставить модули раздельно, менять и отключать ненужные модули в ходе работы силовой установки или подключать их к любому из питаемых двигателем потребителей и маневрировать мощностью между ними, позволит устанавливать двигатель, трансмиссию, питаемые агрегаты на расстоянии, выгодно распределять вес.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в судо- и автомобилестроении, на транспорте, в энергетике. Технический результат: увеличение ресурса, снижение габаритов и массы конструкции, повышение надежности силовой установки. Многофункциональная силовая установка модульного типа содержит, по меньшей мере, одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, поршень с толкателем, воздействующим на преобразователь механической энергии, устройство для подачи рабочей смеси, отвода выхлопных газов, систему газораспределения, поршень цилиндра с возможностью охлаждения, толкатель выполнен жестким либо гибким, снабженным регулятором степени сжатия в виде цилиндра с поршнем или стягивающей оплетку толкателя винтовой муфтой, либо комбинированным, имеющим устройство для его разъединения и распределения энергии по потребителям: система синхронизации фаз газораспределения выполнена в верхнеклапанном исполнении либо с электроуправляемыми клапанами и форсунками, либо с распределительным валом, причем привод распределительного вала осуществляется гибким валом. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Многофункциональная силовая установка модульного типа, содержащая, по меньшей мере, одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, поршень которого снабжен толкателем, воздействующим на механизм преобразования механической энергии, устройство для подачи топлива, воздуха, отвода выхлопных газов, систему газораспределения, отличающаяся тем, что поршень цилиндра выполнен с возможностью охлаждения, толкатель, имеющий устройство для его разъединения и устройство для распределения энергии по потребителям, выполнен жестким, гибким, либо комбинированным, снабженным устройством для изменения степени сжатия, при этом система газораспределения выполнена в верхнеклапанном исполнении, а синхронизация фаз газораспределения осуществляется либо электроуправляемыми клапанами и форсунками (свечами), либо распределительным валом с расцепляемыми муфтами, причем привод распределительного вала осуществляется гибким валом. 2. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что механизм преобразования механической энергии выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма, насоса или рычажно-дискового преобразователя. 3. Силовая установка по п.2, отличающаяся тем, что рычажно-дисковый преобразователь выполнен из отклоняемого толкателем диска, посаженного по центру на подвижном винтовом кронштейне с предпочтительно сферическим шарниром и при своем отклонении либо толкающего по окружности диска ролик (шестерню), имеющий возможность радиального перемещения при необходимости и сидящий на радиальном шипе, вращающий его и связанный с ним силовой вал, либо передающего возвратно-поступательное движение поршню насоса, либо совмещающего в себе две последние функции сразу. 4. Силовая установка по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что рычажно-дисковый преобразователь снабжен подвижной упорной шайбой, ограничивающей отклонение диска. 5. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство для изменения степени сжатия жидкого тела толкателя выполнено в виде цилиндра, герметически соединенного с магистралью толкателя, внутри которого размещен поршень, образующий рабочую камеру, заполненную телом толкателя, а другая сторона поршня соединена посредством винтового штока с устройством вращения, предпочтительно электродвигателем. 6. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство для изменения степени сжатия жидкого тела толкателя выполнено в виде винтовой муфты, стягивающей оплетку толкателя. 7. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что поршень цилиндра выполнен с внутренней полостью, заполняемой охлаждающей жидкостью, поступающей через клапаны при его возвратно-поступательном движении. 8. Силовая установка по п.1, отличающаяся тем, что распределительное и разъединительное устройство для толкателя с твердым телом выполнено в виде центрального ползуна, соединенного толкателем с поршнем двигателя внутреннего сгорания, и радиально расположенных ползунов, соединенных толкателями с механизмом преобразования механической энергии и соединяющихся с центральным ползуном посредством фиксаторов.