МОНОБЛОЧНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК F01B23/02 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в судо- и автостроении.

Известны двигатели внутреннего сгорания (патенты RU 205908, 6 F 02 В 23/26, RU 203930, 6 F 02 В 63/06, 71/04), в которых используются штоки поршней для связи с кривошипно-шатунным механизмом преобразования механической энергии, наличие которого ведет к различным проблемам: вибрации, неравномерности крутящего момента, дороговизны, сложности изготовления и др. Это же можно отнести и к судовому валопроводу. И хотя вал имеет самый высокий КПД при передаче крутящего момента в нормальных условиях, он ненадежен при деформациях корпуса, которые могут произойти в неблагоприятных условиях плавания (сильное воздействие волны на корпус судна, посадка на мель, при которых происходит заклинивание, биение), к тому же, чем длиннее и мощнее валопровод (который может достигать длины 100 м при диаметре вала 600 мм, изготовленный из стали повышенного качества при высокой степени его центровки, точности изготовления, надежности защиты, оборудованный сложными упорными подшипниками), тем больше полезное пространство он занимает в корпусе и значительно уменьшает загрузку судна и удорожает его строительство.

Некоторые авторы, стремясь повысить эффективность двигателей, предлагают свободнопоршневой принцип с системами зубчатых передаточных реек и шестерен для устранения сложных вращений (как в коленчатом вале) и устранения трения поршня о стенки цилиндров (патент 550128, бюл. 9 от 26.04.77, патент 693042, бюл. 39, опуб. 03.11.79, а. с. 1000567, бюл. 8 от 05.03.83).

Также известна поршневая машина П.А. Макасина (SU 1543099, МПК 5 F 01 В 9/04, 15.02.1990 г.), в котором поршень соединен с ползуном, содержащим бесконечную зубчатую рейку в виде гусеницы с внутренним зацеплением, крутящий момент на шестерню силового (в описании - выходного) вала передается от зубчатой поверхности бесконечной рейки через ведущую и промежуточную шестерни. Для обеспечения постоянного зацепления передающих крутящий момент шестерен предусмотрено водило в виде диска с двумя роликами, движущимися по профилированной поверхности ползуна, на водило эксцентрично посажена ведущая шестерня. Данный двигатель при оригинальности технического замысла не способен достичь заявленного результата и обладает рядом недостатков.

В качестве прототипа был выбрана силовая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, имеющий поршневые цилиндры с размещенными в них поршнями, систему зажигания и питания топливом, систему газораспределения, силовой вал, зубчато-реечную передачу, включающую бесконечную зубчатую рамку, связанную со штоком поршня, подвижную рамку и шестерню, связанную с валом (US 4608951 А, МПК 7 F 02 В 75/32, 02.09.1986).

Задача изобретения заключается в разработке конструкции моноблочной силовой установки с применением электрического управления работой силовой установки, единой для всех потребителей на одном транспортном средстве, с трансмиссией, основанной на принципе передачи крутящего момента на основной потребитель (движитель) посредством гибкой связи (тросом, цепью, лентой, канатом, шнуром и т. п.) и простого реечно-рамочного преобразователя механической энергии.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается:
- в увеличении моторесурса за счет отключения незадействованных секций;
- в увеличении живучести силовой установки при механических повреждениях за счет обхода поврежденных секций;
- в упрощении несущей конструкции силовой установки;
- в уменьшении веса силовой установки;
- в уменьшении веса пусковых устройств;
- в отсутствии коробки перемены передач;
- в маневре мощностью между потребителями;
- в возможности разностороннего вращения силовых валов в различных режимах;
- в возможности уменьшения оборотов двигателя (для судовых установок).

Он достигается тем, что силовая установка включает в себя двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры с размещенными в них поршнями, систему зажигания и питания топливом, трансмиссию, силовой вал и механизм преобразования движения, включающий подвижную рамку, бесконечную зубчатую рамку, связанные с поршнем, и шестерню, связанную с силовым валом и установленную с возможностью взаимодействия с зубчатой рамкой, согласно изобретению двигатель выполнен в виде секций, объединенных в моноблок, силовой снабжен цепной муфтой и синхронизатором оборотов шестерни, последняя установлена с возможностью прижатия к зубчатой рамке посредством установленного на водило ролика, а зубчатая рамка выполнена с внешним или внутренним зацеплением и имеет форму удлиненного колеса или квадрата со скругленными углами. Трансмиссия выполнена в виде силовых блоков и гибкой связи, выполненной в виде троса, каната, цепи, шнура, ленты, ремня, проволоки, и содержит механизмы прижатия гибкой связи к силовым блокам в виде прижимных дисков. Механизмы трансмиссии содержат средства изменения радиусов взаимодействия гибкой связи с рабочими поверхностями силовых блоков посредством управляемых опорных пальцев или сегментов. Форсунка системы зажигания и питания топливом содержит мембрану, высоковольтные разрядники или запальную спираль, клапан, сопло и запирающую его иглу и средства электрического управления иглой. Внутренняя поверхность головки цилиндра содержит мембранную вставку, в которой проделано отверстие для выпуска отработанных газов, оборудованное клапанным седлом, прижимающееся к головке выпускного клапана силой давления газов, стержень клапана удерживается механизмом, управляемым блоком управления, головка клапана оборудована механизмом поворота и ограничивает ее движение демпфер. Шток поршня двигателя оборудован механизмом изменения его длины (винтовой парой) и устройством для приведения его в действие. Зубчатая рамка связана с поршнем посредством зубчатого штока с подвижной рамкой или шатуна.

На фигурах изображено:
фиг. 1 - принцип работы рамочно-реечного преобразователя (механизма) с зубчатой рамкой в виде гусеницы:
а) с внешним зацеплением,
б) с внутренним зацеплением;
фиг.2 - варианты соединения поршня с разным реечно-рамочным механизмом;
фиг.3 - моноблочная силовая установка (вариант): а) - поперечный разрез, б) - вид сверху;
фиг.4 - трособлочная трансмиссия;
фиг.5 - механизм выдвижного пальца силового блока;
фиг. 6 - варианты компоновки трособлочной трансмиссии и силовой установки;
фиг.7 - электрический выпускной клапан;
фиг.8 - форсунка.

Моноблочная силовая установка может включать в себя несколько секций, представляющих из себя двигатели внутреннего или внешнего сгорания с различным количеством цилиндров, объединенных в один блок (фиг.3б) с одинаковыми механизмами преобразования движения. При перемещении поршня (поршней) в двигателе под действием расширяющихся газов в объеме цилиндра 10 (фиг.1) шток 8(11) толкает подвижную рамку 4 с закрепленной на ней бесконечной зубчатой рамкой 1 в виде двух параллельных зубчатых реек, соединенных полуокружностями (гусеницы), которая своими зубьями крутит шестерню 2, прижатую к ней посредством прижимного ролика 3 (являющимся направляющим механизмом), посаженного на водило 5. В зависимости от нарезки зубьев с внешней - а) или внутренней - б) стороны съем крутящего момента происходит либо сразу на вал 7 (б), либо через промежуточные шестерни 15, 14 (а). При достижении поршнем 9 мертвой точки шестерня 2, совершая вращение по инерции, запасенной маховиком 6, и не имея возможности разъединиться с закруглением зубчатой рамки 1, будет вынуждена сдвинуть зубчатую рамку 1 в шарнирах 12, 13 и перекатится на другую сторону прямолинейного участка зубчатой рамки и тем самым, соблюдая направление вращения шестерни 2, зубчатая рамка 1 будет двигаться в противоположную сторону и толкать поршень 9 к верхней мертвой точке, что обеспечит чередование тактов, при этом за время, затраченное шестерней 2 на обегание закруглений зубчатой рамки (в положениях мертвых точек), в цилиндре произойдет более качественный газообмен. Возможно изменение циклов, которое обуславливается программой блока управления, им же будет производиться управление фазами газораспределения посредством электроуправляемых клапанов (фиг.7) и форсунок (фиг.8).

Шток 17 поршня 9 может быть выполнен винтовым (фиг.2в), при вращении зубчатой втулки 18 посредством вала 24 от мотора 21 через шестерни 22, 23 происходит изменение его длины, что может быть использовано для изменения степени сжатия.

Принцип работы двигателей (секций), входящих в состав моноблочной силовой установки не отличается от работы обычных двигателей внутреннего или внешнего сгорания, но компоновка их преобразователей движения может быть различной и зависит как от пространства, в котором необходимо расположить силовую установку, так и от выбранной конструкции. Кроме зубчатых рамок в виде гусеницы могут быть рамки в виде квадрата со скругленными углами с квадратной подвижной рамкой 11 (фиг.2а) или колеса с многогранной подвижной рамкой (фиг. 2б). В случаях использования схем "а" и "б" скорость вращения силового вала 6 уменьшится, т.к. работа цилиндров будет происходить последовательно - в очередном цилиндре сможет начаться запланированный такт только после полного завершения такта в предыдущем цилиндре, т.е. цилиндры смогут включиться в работу только при нахождении рамок 4 в положениях перехода взаимодействия от одной грани зубчатой или подвижной рамки к другой, а задержка поршней в мертвых точках будет препятствовать увеличению оборотов. Это понизит скорость вращения силового вала установки, что весьма благоприятно для некоторых транспортных средств (например, для судовых силовых установок), при этом увеличится время на продувку цилиндров и выпуск отработанных газов. Вместо поршней 9 со штоками 8 можно соединить любое разумное количество секций посредством зубчатых реек 25 (фиг.3), которые можно располагать вместе с зубчато-реечным преобразователем движения горизонтально и направить силовые валы вертикально (фиг.6).

На фиг. 3 изображен вариант 12-цилиндровой судовой силовой установки, состоящей из 3 секций 29, 30, 31 по 4 цилиндра, имеющей 3 силовых вала: вал 1 - электрогенератор; вал 2 - движитель; вал 3 - насосная станция. Передача крутящего момента на рейку 25 от поршня 9 осуществляется через шток 8 с зубчатой рейкой и передаточную шестерню 26, которая воздействует через рейку 25 на рамку 4, содержащую три реечно-рамочных механизма преобразования движения. При движении судна основная мощность силовой установки направлена на движитель 33, а остаток мощности делится между генератором 34 и насосной станцией 32. Таким образом, на генератор и насосную станцию будет работать 4 цилиндра - с 9 по 12, а все остальные - с 1 по 8 цилиндр - будут работать на винт. В этом случае в работу включаются все цилиндры, но отключаются валы 1 и 3 от реечно-рамочных преобразователей движения P1-1, P1-2, Р3-1, Р3-2, Р2-3 при помощи сцепных муфт с синхронизаторами M1-1, M1-2, M3-1, М3-2, М2-3 от силового воздействия на них цилиндров с1 по 8, которые передают на вал 2 механическую энергию от этих цилиндров через подключенные сцепные муфты М2-1 и М2-2. Реечно-рамочные механизмы Р1-3 и Р3-3 подключены к валам 1 и 3 посредством сцепных муфт М1-3 и М3-3. Путем переключения сцепных муфт можно легко маневрировать мощностью между потребителями, осуществить обход вышедших из строя секций или цилиндров. Электрическое управление сцепными муфтами и фазами газораспределения позволяет полностью отключать любую часть секций или цилиндров от работы, проводить их ремонт, реверсировать работу секций, тормозить двигателем, использовать двигатель в качестве компрессора.

Трособлочная трансмиссия предназначена для изменения и передачи крутящего момента от моноблочной силовой установки на движитель (или для привода других агрегатов) и работает следующим образом. На силовой установке, составленном из секций 29, 30, 31 (фиг.6), установлены ведущий 65 и аналогичный ведомый 46 силовые блоки, соединенные посредством бесконечного троса 38, 47. При вращении блока 65 по стрелке "а" основные тяговые усилия будут сосредоточены на тросе 47, т.к. прижимной вал 49 (фиг.4) посредством прижимных сегментов 36, подпружиненных упругими элементами 37, прижимает трос 47 к рабочей поверхности силового блока 46, причем максимальная концентрация прижимного усилия будет сосредоточена в точке (пятне) соприкосновения троса 47 с силовым блоком 46 и прижимной пластиной 36 в направлении наклона вала 49, которое регулируется по силе прижатия посредством винтовой тяги 53 и по направлению перемещением кронштейна тяги 53 по окружности корпуса трособлочного механизма. При передаче крутящего момента трос 38 не будет нагружен, его провис нужно будет подтягивать роликом 64. Ненагруженный трос 38 возможно легко перемещать на различные радиусы 50, 51, 52 (фиг.4) рабочей поверхности силового блока 46, определяемые выдвижными опорными пальцами (или сегментами) 48 (43). Для перемены радиуса взаимодействия троса 47 с блоком 46 используются установленные на консоли 56 электромагниты 55, которые своими толкателями выталкивают по сигналу блока управления на выбранном радиусе силового блока по очереди опорные пальцы (сегменты) 48 (43), а опорные пальцы (сегменты), которые будут мешать продвижению троса 47 по рабочей поверхности силового блока 46, будут утапливаться толкателями электромагнитов 45, установленными на передней консоли 44. Для передачи крутящего момента на прижимной вал 49 от силового вала 54 использован карданный шарнир с крестовиной 57. На вал 49 надет упругий цилиндр 37 с присоединенными к ним пластинами 36. Блоки 42 служат для направления тросов на силовой блок и от него. Остановка силового блока осуществляется ленточным тормозом 39 при воздействии на него роликом 41 под усилием гидроцилиндра 40. Холостая работа трансмиссии осуществляется приведением в соосное положение прижимного вала 49, в этом случае трос 47 будет скользить по рабочей поверхности силового блока без сцепления с ним. Реверс может быть осуществлен реверсированием двигателя, изменением шага винта (на судах с движителем типа винта с регулируемым шагом) или переключением на секцию с противоположным вращением вала. В качестве гибкой связи между блоками возможно использование ремня, цепи, каната, шнура, ленты и т.п. При прочном и гибком тросе живучесть силовой установки с трособлочной трансмиссией очень высока.

Выдвижные опорные пальцы 48 (фиг.4) работают следующим образом. При воздействии по стрелке "А" (фиг.5) толкателем электромагнита на цилиндр 59 последний, преодолевая сопротивление пружины 58, продвигается кромкой 63 к выступу 62 и утапливает фиксаторы 60, которые, входя в тело пальца 48, освобождают его от зацепления и заставляют его под действием пружины 58 выдвинуться из тела силового блока 46, удерживаясь фиксаторами 60 за выступ 61, при этом обеспечивается свободный ход для прижатия опирающего на палец троса упругим элементом 36 (фиг. 4). Задвижка пальцев осуществляется толкателем электромагнита 45 (фиг.4), установленного на передней консоли, который, нажимая на палец 48 (фиг.5) (движение по стрелке "Б"), произведет защелкивание фиксаторов 60 за выступ 62.

Управление процессом газораспределения в двигателе силовой установки можно осуществить посредством электроуправляемых клапанов и форсунок. Если в традиционных схемах газораспределительных механизмов впускной клапан не потребует больших усилий для открывания, то выпускной клапан потребует достаточно больших усилий для открытия. В данной конструкции выпускной клапан устанавливается в головке цилиндров 80 работает следующим образом. В закрытом состоянии головка клапана 76 (фиг.7) упирается кромкой в седло клапана 78, механизм свободного хода 72 своими роликами 82, удерживаемыми пружинами 81, не позволит стержню клапана 69 подняться вверх. В такте рабочего хода, когда давление в камере сгорания максимальное, газы давят на поверхность головки цилиндра, которая выполнена из мембраны 74 и соединена с седлом клапана 78. Газы, воздействуя на мембрану, с большим усилием прижимают ее вместе с седлом к застопоренной головке клапана 77, не позволяя пробиваться газам. Для открытия клапана необходимо подать напряжение на катушку электромагнита 66, но т. к. стержень клапана 69 застопорен роликами 82, корпус электромагнита 67 под действием магнитных сил вынужден опуститься вниз и надавить на шайбу 70, соединенную с поводком 71 управления механизмом свободного хода, который надавит на ролики 82 и тем самым расстопорит стержень клапана 69, головка которого под действием давления в цилиндре будет вытеснена с большой силой вверх и откроет выпускной канал, для ее остановки предусмотрен демпфер 73, После выпуска газов электромагнит отключается и пружина 84 возвратит клапан в прежнее положение. При каждом открытии клапана происходит проворот головки относительно стержня клапана в механизме проворота 77. Для предотвращения прорыва газов в подмембранную полость предусмотрен сильфон 79. Дренажная трубка 75 соединена с атмосферой.

Форсунка для впрыска топлива в цилиндр и его зажигания (фиг.8) работает следующим образом. В такте сжатия, когда давление в цилиндре повысится, сжатый воздух перетекает в предкамеру 89, образованную нижней частью корпуса, и давит на мембрану 86, имеющую вид продольной гофры (чтобы иметь возможность для изменения длины окружности при воздействии на нее давления). Создавшееся давление топлива под мембраной в полости 85, которое по каналу 92 через соединительную полость 93 и шайбу с каналами 95 готово переместиться через сопло 90, оборудованное в элементе корпуса 94, в предкамеру 89, но перепускной клапан 98 и сопло 90 при этом закрыты. Топливо может попасть в предкамеру 89 и в камеру сгорания цилиндра после подачи напряжения на катушку 96 электромагнита, при этом сердечник с иглой 83 преодолеет сопротивление пружины 97 и подтянется вверх и откроет сопло 90. Давление воздуха в камере цилиндра, воздействуя на мембрану 86, вытолкнет через сопло 90 топливо, количество которого регулируется блоком управления, либо на раскаленную спираль (являющуюся своего рода электрокалоризатором - не показано), либо, смешавшись с воздухом в предкамере, образовавшаяся рабочая смесь будет подожжена свечой зажигания, состоящей из электродов 88 и 91, представляющих из. себя высоковольтные разрядники, напряжение к которым поступает от клеммы 81 и от корпуса. Топливо, сгорая в цилиндре двигателя, расширится и с еще большей силой воздействует на мембрану 86 и с большей силой впрыснет топливо в предкамеру (если это необходимо) и совершит такт рабочего хода. После выпуска отработанных газов давление в цилиндре снизится, мембрана 86, занимая свое исходное положение, втянет через запорный клапан 98 недостающее количество топлива и форсунка снова готова к работе. Форсунка вкручивается в посадочное гнездо свечи зажигания, заменяя собой топливный насос, форсунку и свечу зажигания (калоризатор) и при использовании ее в качестве калоризатора позволит работать на менее ценных видах топлива и при меньших степенях сжатия.

Таким образом, осуществление принципа моноблочности для силовых судовых установок и замена жесткой трансмиссии на гибкую позволит уменьшить вес и количество энергетических установок, повысить их живучесть в неблагоприятных условиях, обеспечить маневрирование мощностью между потребителями и создавать силовую установку любой конфигурации, устанавливать ее на любом разумном расстоянии от движителя, выгодно распределяя вес, использовать с выгодой место, ранее занимаемое жесткой трансмиссией и вспомогательными двигателями, использовать в качестве коробки передач элементы трансмиссии.

Изложенная выше конструкция моноблочной силовой установки не исчерпывает всех вариантов, а является лишь ее иллюстрацией. На практике могут быть использованы и другие варианты без нарушения основной идеи технического решения.

Установка предназначена для использования в судостроении и двигателестроении. Установка содержит двигатель внутреннего сгорания. Последний выполнен в виде секций, объединенных в моноблок. Трансмиссия выполнена в виде силовых блоков и гибкой связи. Форсунка системы зажигания и питания топливом содержит мембрану, высоковольтные разрядники, сопло и запирающую его иглу. Шток поршня двигателя оборудован механизмом изменения его длины и устройством для приведения его в действие. Зубчатая рамка связана с поршнем посредством зубчатого штока с подвижной рамкой или шатуна. Обеспечивается увеличение моторесурса, уменьшение веса силовой установки, уменьшение оборотов двигателя. 6 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Силовая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания, включающий цилиндры с размещенными в них поршнями, систему зажигания и питания топливом, трансмиссию, силовой вал и механизм преобразования движения, включающий подвижную рамку, связанные с поршнем, и шестерню, связанную с силовым валом и установленную с возможностью взаимодействия с зубчатой рамкой, отличающаяся тем, что двигатель выполнен в виде секций, объединенных в моноблок, силовой вал снабжен цепной муфтой и синхронизатором оборотов шестерни, последняя установлена с возможностью прижатия к зубчатой рамке посредством установленного на водиле ролика, а зубчатая рамка выполнена с внешним или внутренним зацеплением и имеет форму удлиненного колеса или квадрата со скругленными углами. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что трансмиссия выполнена в виде силовых блоков и гибкой связи, выполненной в виде троса, каната, цепи, шнура, ленты, ремня, проволоки, и содержит механизмы прижатия гибкой связи к силовым блокам в виде прижимных дисков. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что механизмы трансмиссии содержат средства изменения радиусов взаимодействия гибкой связи с рабочими поверхностями силовых блоков посредством управляемых опорных пальцев и сегментов. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что форсунка системы зажигания и питания топливом содержит мембрану, высоковольтные разрядники или запальную спираль, клапан, сопло и запирающую его иглу и средства электрического управления иглой. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность головки цилиндра содержит мембранную вставку, в которой проделано отверстие для выпуска отработанных газов, оборудованное клапанным седлом, прижимающееся к головке выпускного клапана силой давления газов, стержень клапана удерживается механизмом, управляемым блоком управления, головка клапана оборудована механизмом поворота и ограничивает ее движение демпфер. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что шток поршня двигателя оборудован механизмом изменения его длины (винтовой пары) и устройством для приведения его в действие. 7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что зубчатая рамка связана с поршнем посредством зубчатого штока с подвижной рамкой или шатуна.