СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в силовых приводах различных стационарных и самоходных машин.

Известен силовой привод, содержащий механизм с колеблющимся звеном, выполненный в виде свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), поршни которого одновременно являются поршнями гидроцилиндров и гидромашины. Блок поршней, воспринимая давление рабочих газов, совершает возвратно-поступательное движение, при этом текучая среда вытесняется поршнем из одного гидроцилиндра и с помощью распределительных устройств и обратных клапанов, размещенных в магистралях, направляется в гидромашину, вращает ее ротор и направляется в другой гидроцилиндр, при этом также используются распределители и обратные клапаны, аналогично протекает и другой такт. Циклы повторяются, а направления движения текучей среды в магистралях не изменяются (см. описание к патенту США 4966000 от 30.10.90 г.). Однако значительные гидравлические сопротивления и объемные потери в управляющих устройствах резко снижают кпд привода и нарушают жесткую кинематическую связь между подвижными звеньями механизмов.

Известен обратимый гидравлический преобразователь движения (описание к авт. св. СССР 158187, опубл. 1963 г., бюл. 20), содержащий двухсторонний симметричный гидроцилиндр и коловратную гидромашину, объединенные общей гидропередачей в виде каналов с текучей средой без распределительных устройств. Устройство не предназначено для использования в силовых установках, т.к. при движении вращающегося звена на большем участке его пути колеблющееся звено перемещаться не может, кинематической связи между звеньями в этот период нет.

Известна силовая установка, которая включает в себя двухцилиндровый свободнопоршневой ДВС с четырьмя блоками поршней и шиберную гидравлическую машину, в статоре которой размещены разделительные устройства с шиберами. Гидромашина и гидроцилиндры объединены магистралями с текучей средой и без распределительных устройств (описание выложенной заявки ФРГ 1650630, опубл. 20.08.1970 г.).

В известном устройстве отсутствует жесткая кинематическая связь между вращающимся и колеблющимся звеньями при такте развода поршней ДВС, что в значительной мере затрудняет запуск в работу ДВС и обуславливает его нестабильную работу. Не предусмотрено также выравнивание объемов текучей среды в левой и правой полостях гидроцилиндров, которое нарушается вследствие неплотного прилегания шиберов к образующей ротора при большой частоте его вращения, в результате чего нарушается жесткая связь между подвижными звеньями и нарушается работоспособность установки.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение коэффициента полезного действия силовой установки.

Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является обеспечение жесткой кинематической связи между подвижными звеньями механизмов, при которой каждому перемещению одного из подвижных звеньев устанавливается пропорциональное ему перемещение другого звена на протяжении всего времени работы установки, обеспечение возможности выравнивания объемов текучей среды, находящихся по разные стороны шибера, постепенное включение в работу цилиндров ДВС по мере возрастания нагрузки на вал гидромашины и отключение их при снижении нагрузки, изменение частоты вращения вала гидромашины и величины крутящего момента на валу гидромашины без изменения частоты колебания блоков поршней ДВС и без применения шестеренных коробок перемены передач, накопление кинетической энергии, достаточной для совершения вспомогательных тактов поршнями ДВС.

Указанный технический результат достигается тем, что в силовой установке, включающей механизм с колеблющимися звеньями, выполненный в виде цилиндров свободнопоршневых ДВС, каждый поршень которого жестко связан с поршнем, размещенным в двухстороннем симметричном гидроцилиндре, и механизм с вращающимся звеном, выполненным в виде статора с каналами подвода и отвода текучей среды, разделяемыми шиберами разделительных устройств и роторов, снабженных, по меньшей мере, двумя впадинами, при этом впадины ротора и статор образуют рабочие полости механизма с вращающимся звеном, расположенные с возможностью соединения с каналами статора, при этом объем каждой рабочей полости равен объему совместно работающего симметричного гидроцилиндра, расстояние между шиберами разделительных устройств и соседними впадинами ротора выбрано равным длине хорды, измеренной по средней линии впадины.

Кроме того
- каждая впадина выполнена в виде сектора кругового кольца, при этом профили входа во впадину и выхода из нее одинаковы;
- шиберы смонтированы с возможностью фиксации их в нерабочем положении;
- на статоре посредством валов смонтированы коромысла, установленные с возможностью контактирования с двумя соседними шиберами;
- впускные и выпускные каналы статора снабжены перепускными каналами с регулируемыми обратными клапанами;
- на валу коромысла смонтированы устройства для синхронной подачи топлива и энергии для поджога горючей смеси в цилиндрах механизма с колеблющимися звеньями;
- вал коромысла установлен с возможностью перемещения в радиальном или осевом или тангенциальном направлении;
- на общем валу механизма с вращающимся звеном смонтированы роторы с разным количеством впадин, при этом на каждом роторе геометрические размеры впадин одинаковы, а геометрические размеры впадин одного ротора отличаются от геометрических впадин другого ротора при условии соблюдения равенства объемов каждой впадины и совместно работающего с ней гидроцилиндра;
- на общем валу механизма с вращающимся звеном смонтированы роторы с одинаковым количеством впадин, при этом на каждом роторе геометрические размеры впадин одинаковы, а геометрические размеры впадин одного ротора отличаются от геометрических впадин другого ротора при условии соблюдения равенства объемов каждой впадины и совместно работающего с ней симметричного гидроцилиндра;
- каждый из гидроцилиндров соединен магистралями с каналами статора, обеспечивающими работу нескольких роторов.

Силовая установка иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена схема, поясняющая принцип работы силовой установки, на фиг.2 - схема соединений гидроцилиндров с механизмом с вращающимся звеном.

Силовая установка включает (фиг.1) механизм 1 с колеблющимися звеньями, выполненный, например, в виде ДВС, у которого в каждом цилиндре 2 для сжигания топлива размещен поршень 3, жестко связанный с поршнем 4 двухстороннего симметричного гидроцилиндра 5. Механизм 6 с вращающимся звеном содержит статор 7 с каналами впуска 8 и выпуска 9, соединенные перепускным каналом 10 с регулируемым обратным клапаном 11. На статоре размещены разделительные устройства 12 с шиберами 13, оснащенными пружинами 14, на статоре смонтированы при помощи валов 15 коромысла 16 и устройство 17 (например, соленоид) для вывода коромысел 16 из зоны контакта с шиберами, при этом на валах коромысел 16 закреплены устройства 18 для синхронной подачи топлива в цилиндры ДВС и для подачи энергии для поджига горючей смеси. На валу 19 механизма с вращающимся звеном смонтированы роторы 20 с различным или одинаковым количеством впадин 21, образующих совместно со статором рабочие полости 22, на этом же валу закреплен маховик 23.

Объем каждой рабочей полости 22 механизма с вращающимся звеном равен рабочему объему гидроцилиндра 5, а расстояние между шиберами 13 разделительных устройств 12 и соседними впадинами 21 установлено равным длине "а" хорды, измеренной по средней линии впадины 21 ротора 20, при этом впадины 21 выполнены в виде сектора кругового кольца, а профильные поверхности 24 входа во впадину 21 и выхода из нее одинаковы и служат для привода шиберов 13 разделительных устройств 12. Обратный клапан 11 отрегулирован на давление, равное давлению сжатия горючей смеси. Рабочие полости механизма с качающимися звеньями объединены магистралями 25.

Силовая установка работает следующим образом. В исходном положении все шиберы 13 разделительных устройств 12 удерживаются пружинами 14 в нерабочем положении, при этом коромысла 16 не взаимодействуют с шиберами 13. С помощью одного из известных устройств, например электростартера, приводится во вращение вал 19 механизма 6 с вращающимся звеном и одновременно с помощью известного устройства 17, например, соленоида осуществляется контакт одного из коромысел 16 с шиберами 13, в результате которого последние будут поочередно копировать поверхность впадин 21, размещенных на одном из роторов 20, вытесняя текучую среду из полости 22 по каналу 9, а далее в одну из магистралей 25 и одну из полостей гидроцилиндра 5, при этом из другой полости этого же гидроцилиндра 5 текучая среда вытесняется по другой магистрали 25 и каналу 8 в эту же рабочую полость 22 гидромашины, при выходе одного из шиберов 13 из впадины он, перемещаясь от воздействия профильной поверхности 24, через коромысло 16 перемещает во впадину другой шибер 13, который вытесняет текучую среду из рабочей полости 22 механизма 6 в другую полость гидроцилиндра 5, генерируя, таким образом, колебания поршней гидроцилиндров, а значит и поршней ДВС. После запуска в работу одного из цилиндров ДВС используется энергия сгорания топлива в одном цилиндре, при этом такт сжатия осуществляется за счет кинетической энергии, накопленной маховиком 23. При увеличении нагрузки на вал механизма с вращающимся звеном включается в работу необходимое количество цилиндров 5 путем воздействия коромысел 16 на шиберы 13, при этом наличие нескольких роторов 20 с различным числом впадин 21 позволяет максимально увеличить крутящий момент на валу механизма 6 путем вращения одного ротора с большим числом впадин всеми цилиндрами ДВС, таким образом, количество воздействий на ротор за один оборот будет зависеть от количества цилиндров механизма с колеблющимся звеном (возможны и многие другие варианты воздействий с целью изменения величины крутящего момента и частоты оборотов вала гидромашины).

Таким образом, в результате решения поставленной задачи может быть создано качественно новое устройство - силовая установка с новым потребительскими свойствами, такими, как увеличенный кпд за счет использования энергии второго периода горения топлива и исключения ударных нагрузок и трения, обусловленных кривошипно-шатунным механизмом в существующих ДВС, кроме того, возможно наиболее рациональное использование энергии ДВС при частичных нагрузках и отказаться от применения шестеренных передач, включая и КПП. Упрощается автоматическое управление работой силового агрегата.

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет улучшить динамические параметры свободнопоршневого двигателя. Силовая установка включает механизм с колеблющимися звеньями, выполненный в виде цилиндров свободнопоршневых ДВС, каждый поршень которого жестко связан с поршнем, размещенным в двустороннем симметричном гидроцилиндре, и механизм с вращающимся звеном, выполненным в виде статора с каналами подвода и отвода текучей среды, разделяемыми шиберами разделительных устройств, роторов, снабженных по меньшей мере двумя впадинами, при этом впадины ротора и статор образуют рабочие полости механизма с вращающимся звеном, расположенные с возможностью соединения с каналами статора, объем каждой рабочей полости равен объему совместно работающего симметричного гидроцилиндра, расстояние между шиберами распределительных устройств и соседними впадинами ротора выбрано равным длине хорды, измеренной по средней линии впадины. Каждая впадина выполнена в виде сектора кругового кольца, а профили входа во впадину и выхода из нее одинаковы. Шиберы смонтированы с возможностью фиксации их в нерабочем положении. На статоре посредством валов смонтированы коромысла с возможностью контактирования с двумя соседними шиберами. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Силовая установка, включающая механизм с колеблющимися звеньями, выполненный в виде цилиндров свободнопоршневых ДВС, каждый поршень которого жестко связан с поршнем, размещенным в двустороннем симметричном гидроцилиндре, и механизм с вращающимся звеном, выполненным в виде статора с каналами подвода и отвода текучей среды, разделяемыми шиберами разделительных устройств, роторов, снабженных по меньшей мере двумя впадинами, при этом впадины ротора и статор образуют рабочие полости механизма с вращающимся звеном, расположенные с возможностью соединения с каналами статора, при этом объем каждой рабочей полости равен объему совместно работающего симметричного гидроцилиндра, отличающаяся тем, что расстояние между шиберами разделительных устройств и соседними впадинами ротора выбрано равным длине хорды, измеренной по средней линии впадины. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каждая впадина выполнена в виде сектора кругового кольца, при этом профили входа во впадину и выхода из нее одинаковы. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что шиберы смонтированы с возможностью фиксации их в нерабочем положении. 4. Установка по пп.1-3, отличающаяся тем, что на статоре посредством валов смонтированы коромысла, установленные с возможностью контактирования с двумя соседними шиберами. 5. Установка по пп.1-4, отличающаяся тем, что впускные и выпускные каналы статора снабжены перепускными каналами с регулируемыми обратными клапанами. 6. Установка по пп.1-5, отличающаяся тем, что на валу коромысла смонтированы устройства для синхронной подачи топлива и энергии для поджога горючей смеси в цилиндрах механизма с колеблющимися звеньями. 7. Установка по пп.1-6, отличающаяся тем, что вал коромысла установлен с возможностью перемещения в радиальном, или осевом, или тангенциальном направлении. 8. Установка по пп.1-7, отличающаяся тем, что на общем валу механизма с вращающимся звеном смонтированы роторы с разным количеством впадин, при этом на каждом роторе геометрические размеры впадин одинаковы, а геометрические размеры впадин одного ротора отличаются от геометрических размеров впадин другого ротора при соблюдении условия соблюдения равенства объемов каждой впадины и совместно работающего с ней симметричного гидроцилиндра. 9. Установка по пп.1-7, отличающаяся тем, что на общем валу механизма с вращающимся звеном смонтированы роторы с одинаковым количеством впадин, при этом на каждом роторе геометрические размеры впадин одинаковы, а геометрические размеры впадин одного ротора отличаются от геометрических размеров впадин другого ротора при соблюдении условия соблюдения равенства объемов каждой впадины и совместно работающего с ней симметричного гидроцилиндра. 10. Установка по пп.1-9, отличающаяся тем, что каждый из гидроцилиндров соединен магистралями с каналами статора, обеспечивающими работу нескольких роторов.