ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ЦОЦХАДЗЕ Российский патент 2004 года по МПК F02G3/02 F02B23/00 

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к производству двигателей внутреннего сгорания и на их базе энергоустановок (газогенераторов, компрессорных станций).

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с трохоидальной рабочей камерой по типу Ванкеля с одной вынесенной камерой сгорания (BKC)[1], где фактическое время, отводимое на образование и горение топливной смеси, очень мало, и топливо догорает в процессе движения поршня, т.е. в процессе расширения газов. Вследствие этого ДВС имеет повышенный расход топлива и не соответствует экологическим нормам по токсичности отработавших газов.

Известен ДВС, где изменение объема камеры сгорания производится присоединением дополнительного объема - BKC [2]. Эта ВКС соединена с общей камерой сгорания через запорный клапан и подключается для изменения степени сжатия при работе с максимальной нагрузкой. При частичных нагрузках камера отключена и клапан закрыт. В этом ДВС, как и у предыдущего аналога, фактическое время горения очень мало, и топливо догорает в такте расширения.

Известен также ДВС с разделенными циклами и одной ВКС, работающий по 4-тактному циклу [3], который может быть принят в качестве прототипа.

Здесь впуск и сжатие совершается одним цилиндром, а рабочий ход и выпуск отработавших газов - другим. Применение одной ВКС вынуждает сместить взаимное расположение поршней в цилиндрах, что вызывает динамическую разбалансированность системы и относительно небольшой промежуток времени, отведенный на горение топлива, что в высокооборотистых ДВС может не обеспечить достаточно полного сгорания топлива, особенно в многотопливных ДВС, где горение замедлено. Кроме того, данная схема не позволяет иметь одноцилиндровый ДВС и работу по 2-тактному циклу, что в малолитражных ДВС приводит к излишнему весу и габаритам, а постоянный объем одной ВКС не дает возможности регулировать степень сжатия и мощность, особенно при работе с наддувом.

Причина этих недостатков в отсутствии второй (или более) ВКС, установленной и работающей параллельно с первой ВКС.

Цель изобретения - создание эффективной, экологически чистой, многотопливной энергетической установки с увеличенным временем, отводимым на образование и горение топливной смеси в вынесенных камерах сгорания, не контактирующих с поршнем во время горения топлива.

Это достигается путем использования в энергетической установке двух или более вынесенных камер сгорания или ресивера, работающего в паре с вынесенной камерой или камерами сгорания. Они соединены каналами с цилиндром, в котором движется поршень. Цилиндр с поршнем образуют рабочую камеру. В соединительных каналах выполнены запорно-регулирующие устройства.

Несколько цилиндров, в которых движутся поршни, соединенные между собой каналами, образуют комбинированную энергетическую установку, способную работать реверсивно, причем без стартера.

Отличительным от прототипа признаком является применение двух или более ВКС или наличие ресивера, работающего совместно с одной или несколькими ВКС, обеспечивающее увеличение отводимого на горение времени при регулировании самого времени горения; изменение степени сжатия в соответствии с величиной наполнения цилиндра свежим зарядом воздуха или топливной смеси; плавное и ступенчатое увеличение мощности в два и более раз; увеличение числа оборотов в два и более раз при существующем оборудовании подачи топлива в камеру сгорания; многотопливность; горение при постоянном объеме; работу по 2-, 4-тактному циклу; использование энергетических установок в качестве эффективного моторного тормоза с двойным эффектом; реверсивную работу и запуск без стартера; возможность накопления воздуха в ресивере и использование его в разных целях, например, на привод тормозов, клапанов и др.; возможность применения высокого наддува и самостоятельное создание наддува; возможность работы комбинированных энергетических установок при сочетании разных типов и конструкций цилиндра и поршня, причем с преобразующим механизмом движения или без него.

Перечень фигур и позиций с кратким описанием:

фиг.1 - изображена ВКС, соединенная каналами с цилиндром.

Конструкция единая для всех схем.

1 (2, 3) - 1-я (2-я, 3-я) ВКС;

4 - впускной канал в ВКС;

5 - выпускной канал из ВКС;

6, 7 - первый цилиндр и поршень;

8, 11 - запорно-регулирующие устройства;

9 - впускной канал в цилиндр;

10 - выпускной канал из цилиндра;

12 - форсунка подачи топлива в ВКС;

13 - свеча зажигания;

фиг.2 - две ВКС (1, 2) с общим впускным (4) и выпускным (5) каналами;

фиг.3 - три ВКС (1, 2, 3) с разделенными впускными (4) и выпускными (5) каналами;

фиг.4 - одна из двух ВКС (1) выполнена ресивером (14) и ее выпускной канал (5) соединен со второй ВКС (2);

14 - ресивер;

фиг.5 - ресивер (14) соединен с тремя ВКС (1, 2, 3) или более;

фиг.6 - впускной (4) и выпускной (5) каналы ВКС (1, 2) выполнены в одном канале (15), соединяющем ВКС (1, 2) с мертвым объемом цилиндра (6);

15 - соединительный канал с цилиндром;

фиг.7 - впускной (4) и выпускной (5) каналы ресивера (14) выполнены в одном канале (16), соединяющем ресивер (14) с каждой ВКС (1, 2, 3);

16 - соединительный канал с ВКС;

фиг.8 - соединение двух цилиндров (6, 17) без ресивера (14) между собой соединительными каналами (19) с запорными устройствами (20). Два цилиндра способны работать по 2-, 4- и разделенному 4-тактному циклам;

17, 18 - второй цилиндр и поршень;

19 - соединительный канал;

20 - запорное устройство;

фиг.9 - комбинированная энергетическая установка с несколькими цилиндрами (6, 17, 21) без ресивера (14) с общим числом ВКС (1, 2) не менее двух;

21, 22 - более двух цилиндров и поршней;

фиг.10 - то же, что фиг.9, но с общим числом ВКС (1, 2) более двух;

фиг.11 - соединение двух цилиндров (6, 17) с ресивером (14) между собой соединительным каналом (23) с запорным устройством (24) и общим числом ВКС (1, 2) более одной. Два цилиндра способны работать по 2-, 4- и разделенному 4-тактному циклам.

23 - соединительный канал;

24 - запорное устройство;

фиг.12 - то же, что фиг.11, но с общим числом ВКС (1) равным одному и установленным дополнительно нагнетателем (турбокомпрессором) (25);

25 - нагнетатель (турбокомпрессор);

фиг.13 - комбинированная энергетическая установка с несколькими цилиндрами (6, 17, 21) с ресивером (14) и с общим числом ВКС большим или равным единице;

фиг.14 - энергетическая установка с кривошипно-шатунным механизмом, работающая по 4-тактному циклу с двумя ВКС, где время, отводимое на горение, от нуля градусов до семисот двадцати градусов угла поворота коленчатого вала (t_гор от 0 до 720° угла ПКВ, t_гор - время, отводимое на горение);

фиг.15 - та же установка, что на фиг.14, но по 2-тактному циклу (t_гор от 0 до 360° угла поворота коленчатого вала);

фиг.16 - энергетическая установка по типу Ванкеля, работающая по 4-тактному циклу с трохоидальным цилиндром (6) и трехгранным поршнем (7) и двумя ВКС (1, 2), у которой общие каналы впуска (4) и выпуска (5). Установка способна работать реверсивно. Для этого имеется устройство переключения местами каналов впуска (9) и выпуска (10) в цилиндр (6) с запорным устройством (11);

t_гор от 0 до 120° угла ПР (поворота ротора) при рабочем ходе 60° угла ПР;

фиг.17 - та же установка, что на фиг.16, но с тремя ВКС (1, 2, 3), у которой раздельные каналы впуска (4) и выпуска (5), t_гор от 0 до 240° угла ПР при рабочем ходе 60° угла ПР;

фиг.18 - роторная установка с двумя ВКС (1, 2), работающая по 4-тактному циклу;

фиг.19 - установка роторно-пластинчатая с тремя пластинами, образующими три рабочих объема, и двумя ВКС (1, 2), способная работать по 4-тактному циклу реверсивно;

фиг.20 - свободно-поршневая установка с противоположными рабочими камерами, работающими по 2-тактному циклу, с двумя ВКС (1, 2) на каждую рабочую камеру;

фиг.21 - то же, но с одной ВКС (1) и ресивером (14) на каждую рабочую камеру;

фиг.22 - установка с кривошипно-шатунным механизмом с одной ВКС (1) и ресивером (14), работающая по 2-тактному циклу, t_гор от 0 до 180° угла ПКВ;

фиг.23 - то же, что фиг.22, с двумя ВКС (1, 2), t_гор от 0 до 540° угла ПКВ;

фиг.24 - то же, что на фиг.22, но по 4-тактному циклу, t_гор от 0 до 540° угла ПКВ;

фиг.25 - то же, что фиг.24, но с двумя ВКС (1, 2), t_гор от 0 до 1260° угла ПКВ;

фиг.26 - то же, что на фиг.16, но одна ВКС (1) и ресивер (14), t_гор от 0 до 90° угла ПР при рабочем ходе 30° угла ПР;

фиг.27 - то же, что на фиг.26, но с двумя ВКС (1, 2) и ресивером (14), t_гор от 0 до 180° угла ПР при рабочем ходе 30° угла ПР;

фиг.28 - та же установка, что на фиг.27, но работающая по 2-тактному циклу с шестью ВКС (1, 2, 3), расположенными по обе стороны от большой оси эпитрохоиды (ось), t_гор от 0 до 240° угла ПР при рабочем ходе 30° угла ПР;

фиг.29 - энергетическая установка с кривошипно-шатунным механизмом с двумя цилиндрами (6, 17) и тремя ВКС (1, 2, 3), работающая по 2-тактному циклу, t_гор от 0 до 180° угла ПКВ, угол развала между коленами 180° угла ПКВ;

фиг.30 - то же, что на фиг.29, но с двумя ВКС (1, 2), работающая по разделенному 4-тактному циклу, t_гор от 0 до 180° угла ПКВ, угол развала между коленами 180° угла ПКВ;

фиг.31 - то же, что на фиг.30, но угол развала между коленами 0° угла ПКВ, t_гор от 0 до 360° угла ПКВ;

фиг.32 - комбинированная энергетическая установка с кривошипно-шатунным механизмом, работающая по разделенному 4-тактному циклу, без ресивера с двумя ВКС (1,2) и углом развала между коленами 0° угла ПКВ, t_гор от 0 до 300° угла ПКВ;

фиг.33 - комбинированная энергетическая установка по свободно-поршневой конструкции с четырьмя рабочими объемами и двумя ВКС (1, 2), работающая по разделенному 4-тактному циклу, такт расширение (рабочий ход) неполный, равный половине хода поршня , такт впуск - неполный, равный половине хода поршня , t_гор в течение одного хода поршня;

фиг.34 - комбинированная энергетическая установка по типу Ванкеля, работающая по разделенному 4-тактному циклу с двумя ВКС (1, 2), расположенными по обе стороны от большой оси эпитрохоиды (ось), t_гор от 0 до 60° угла ПР при рабочем ходе 30° угла ПР, такт сжатие в ВКС (1, 2) проходит в течение 30° угла ПР;

фиг.35 - то же, что на фиг.34, но ВКС (1, 2) расположены по одну сторону от большой оси эпитрохоиды (ось), t_гор от 0 до 60° угла ПР при рабочем ходе 30° угла ПР, такт сжатие в ВКС (1, 2) проходит в течение 30° угла ПР;

фиг.36 - то же, что на фиг.34, но четыре ВКС (1, 2), t_гор от 0 до 120° угла ПР при рабочем ходе 60° угла ПР;

фиг.37 - то же, что на фиг.36, но с ресивером (14), t_гор от 0 до 180° угла ПР при рабочем ходе 30° угла ПР;

фиг.38 - комбинированная энергетическая установка по свободно-поршневой конструкции, имеющая четыре цилиндра и два поршня (7, 18), работающая по разделенному 4-тактному циклу с ресивером (14) и четырьмя ВКС (1, 2), где поршни движутся в противоположных направлениях;

фиг.39 - комбинированная установка, в которой соединены:

25 - турбонаддув;

26 - свободно-поршневая установка, работающая по разделенному 4-тактному циклу с четырьмя ВКС (1, 2);

27 - установка с кривошипно-шатунным механизмом, работающая по 2-тактному циклу с одной ВИС (I);

28 - установка типа Ванкеля, работающая по второй части разделенного 4-тактного цикла (т.е. расширение и выпуск), причем ВКС (1, 2) расположены по обе стороны от большой оси эпитрохоиды (ось);

фиг.40 - комбинированная энергетическая установка, состоящая:

29 - установка с кривошипно-шатунным механизмом, работающая по первой части разделенного 4-тактного цикла (впуск, сжатие);

30 - роторно-пластинчатая установка, работающая по второй части разделенного 4-тактного цикла с двумя ВКС (1, 2);

фиг.41 - реверсивная энергетическая установка без стартера с кривошипно-шатунным механизмом и тремя рабочими объемами, угол развала между коленами 120° угла ПКВ;

фиг.42 - то же, что фиг.41, но рабочих объемов четыре, угол развала между коленами 90° угла ПКВ.

Заявленная энергетическая установка состоит из двух (или более) ВКС 1, 2, 3 (фиг.1-42), каждая из которых соединена каналами впуска 4 и выпуска 5 с мертвым объемом одного цилиндра 6, в котором движется поршень 7. Поршень с цилиндром образуют рабочую камеру (рабочий объем).

Во впускном 4 и в выпускном 5 каналах установлены запорно-регулируюшие устройства 8 в виде клапанов, плунжеров или золотников, задающих режим работы каждой ВКС 1, 2, 3. У цилиндра 6 также имеется впускной 9 и выпускной 10 каналы с запорно-регулирующими устройствами 11. В ВКС 1, 2, 3 установлены топливоподаюшая форсунка 12 и свеча зажигания 13.

Если одну из ВКС 1, 2, 3 увеличить в объеме, а ее выпускной канал 5 присоединить к каждой ВКС 1, 2, 3, то получим ресивер 14 (фиг.4-42), присоединенный к каждой ВКС 1, 2, 3.

У ВКС 1, 2, 3 каналы впуска 4 и выпуска 5 могут быть объединены в один канал 15 (фиг.6-42) с запорно-регулирующим устройством 8 (фиг.6-42). И у ресивера 14 впускной канал 4 может быть присоединен к ВКС 1, 2, 3 и объединен с выпускным каналом 5. Получится соединительный канал 16 (фиг.7-42) между ВКС 1, 2, 3 и ресивером 14, в котором установлено запорно-регулируюшее устройство 8.

В энергетической установке к одному цилиндру 6 и поршню 7 может быть присоединен второй цилиндр 17 (фиг.8-42) с поршнем 18 (фиг.8-42) или несколько цилиндров 21 (фиг.9-42) с поршнями 22 (фиг.9-42).

В конструкциях без ресивера 14 присоединение второго цилиндра 17 или нескольких цилиндров 21 выполняется с соблюдением условия, при котором каждая ВКС 1, 2, 3 первого цилиндра 6 соединена каналом 19 (фиг.8-42), имеющим запорно-регулирующее устройство 20 (фиг.8-42), с мертвым объемом второго цилиндра 17 или нескольких цилиндров 21, причем общее число ВКС 1, 2, 3 должно быть не менее двух.

В конструкциях с ресивером 14 (фиг.11-42) присоединение второго цилиндра 17 или нескольких цилиндров 21 выполняется с соблюдением условия, при котором ресивер 14 первого цилиндра 6 соединен каналом 23 (фиг.11-42), имеющим запорно-регулирующее устройство 24 (фиг.11-42), с ресивером 14 второго цилиндра 17 или с ресиверами 14 (фиг.13) нескольких цилиндров 21, причем общее число ВКС 1, 2, 3 может быть больше или равно единице.

Число цилиндров с поршнями энергетической установки может быть любое, как и сочетание их типов и конструкций. Например, цилиндр и поршень в нем могут быть выполнены в виде:

- вертикального цилиндра 6 (фиг.14), в котором движется возвратно-поступательно цилиндрический поршень 7 (фиг.14), соединенный с кривошипно-шатунным механизмом 27 (фиг.39);

- трохоидального цилиндра 6 (фиг.16) по типу Ванкеля 28 (фиг.39), в котором вращается поршень, выполненный в виде трехгранного ротора 7 (фиг.16);

- горизонтального цилиндра 6 (фиг.18), в котором вращается поршень в виде горизонтального цилиндра, установленного эксцентрично 7 (фиг.18);

- горизонтального цилиндра 6 (фиг.19), в котором вращается поршень, выполненный в виде ротора 7 (фиг.19) с тремя пластинами;

- горизонтального цилиндра двойного действия 6 (фиг.20), в котором движется возвратно-поступательно поршень, имеющий двухстороннюю рабочую поверхность 7 (фиг.20), причем без преобразующего механизма, т.е. по свободно-поршневой конструкции 26 (фиг.39).

Если в энергетической установке два или более цилиндра с поршнями выполнить в сочетании этих разных типов и конструкций, то получим комбинированную энергетическую установку (фиг.29-42), работающую по 2-, 4- или разделенному 4-тактному циклам.

Для реверсивной работы без стартера энергетическая установка содержит не менее трех рабочих объемов, смещенных относительно друг друга на одинаковое расстояние, а в роторно-поршневых конструкциях дополнительно имеется устройство, позволяющее менять местами впуск и выпуск у цилиндров. Например, в одном трохоидальном цилиндре 6 (фиг.16) один трехгранный ротор-поршень 7 (фиг.16) образует три рабочих объема.

В поршневой установке с кривошипно-шатунным механизмом в одном цилиндре 6 (фиг.14) с одним поршнем 7 (фиг.14) образуется один рабочий объем. Следовательно, для выполнения условия необходимо иметь три цилиндра 6 (фиг.14) с тремя поршнями 7 (фиг.41). Исключение для конструкций свободно-поршневых установок (фиг.20, 21). Для них число рабочих объемов не имеет значения.

Если в трохоидальном цилиндре 6 (фиг.16) с трехгранным ротором 7 (фиг.16) расположение объемов уже зафиксировано самой конструкцией, то в цилиндрах с поршнями, имеющими кривошипно-шатунный механизм, такого расположения нет (фиг.14). Величину этого смещения по ходу поршня в цилиндре (фиг.41, 42) относительно друг друга можно определить по соотношению ,

где h≥3 - число поршней;

2S - двойной ход поршня.

При рядном расположении цилиндров одинаковое смещение между поршнями 7 можно получить, если пользоваться облегченным соотношением (фиг.41, 42),

где L° - угол развала между коленами, по углу поворота коленчатого вала;

K≥3 - число колен коленчатого вала, каждое из которых соединено шатуном с одним поршнем.

В рассмотренных конструкциях энергетической установки наполнение цилиндра 6 или цилиндров 17, 21 воздухом или топливной смесью происходит за счет разности давлений в цилиндре 6 и вне его или принудительно под действием нагнетателя или турбокомпрессора 25 (фиг.12, 39).

Все ВКС 1, 2, 3 желательно и возможно выполнить с хорошей теплоизоляцией (например, из керамики) для уменьшения тепловых потерь и для облегчения запуска энергоустановки в холодное время.

Порядок работы энергетической установки по 4- или 2-тактному циклу аналогичен работе известных установок. Отличие заключается в следующем. После такта впуска, в такте сжатия воздух или топливная смесь поступает в ВКС 1, 2, 3 (фиг.1-42) по впускному каналу 4. При этом выпускной канал 5 перекрыт запорным устройством 8. После заполнения ВКС 1, 2, 3 топливной смесью или воздухом впускной канал 4 перекрывается запорным устройством 8, и топливная смесь поджигается свечой 13 и сгорает или впрыскивается топливо через форсунку 12, которое перемешивается со сжатым воздухом и сгорает. Впрыск топлива и момент зажигания смеси свечой 13 в удлиненном отрезке времени, отведенном на образование и горение смеси, задается и осуществляется в зависимости от скорости движения поршня 7 в цилиндре 6. Запорное устройство 8 в выпускном канале 5 открывается и сгоревшие газы начинают давить на поршень 7, совершая рабочий ход (такт расширения). По окончании такта расширения начинается такт выпуска отработавших газов из цилиндра 6.

Отличие работы некоторых конструкций ВКС 1, 2, 3 в том, что впуск топливной смеси или воздуха в ВКС 1, 2, 3 и выпуск из нее сгоревших газов происходит по одному и тому же каналу (туда-сюда) 15 (фиг.6), а управление впуском и выпуском производится одним запорно-регулируюшим устройством 8 (фиг.6).

Применение двух или более ВКС 1, 2, 3 позволило производить работу энергетической установки по новому способу. А именно: сжатый воздух или топливная смесь подается в ВКС 1, 2, 3 поочередно, одновременно или в других комбинациях. В них происходит горение в течение задаваемого времени, необходимого для полного сгорания топлива. Из ВКС 1, 2, 3 сгоревшие газы давят на поршень 7 поочередно, одновременно или в других комбинациях, совершая рабочий ход (такт расширение). Режим работы задается запорно-регулирующими устройствами 8, которые выполнены в соединительных каналах 4, 5.

Работу энергетической установки с четырьмя ВКС рассмотрим на примере бензиновой установки. При частичной нагрузке, когда дроссельная заслонка прикрыта и цилиндр частично наполняется смесью, и малой скорости движения поршня (малы обороты вала) работают две ВКС поочередно. С увеличением открытия заслонки и соответственно большим поступлением смеси в цилиндр, что вызывает увеличение скорости поршня и уменьшение промежутка времени, отводимого на горение, включается в работу поочередно сначала третья ВКС, а затем при максимальной скорости поршня и четвертая ВКС, восстанавливая время, необходимое для полного сгорания топлива (поочередная работа ВКС). При максимальной нагрузке, когда заслонка открыта до конца, и цилиндр полностью наполняется смесью, а скорость движения поршня мала, работают все четыре ВКС одновременно. При этом достигается максимальная сила, требуемая для увеличения скорости движения поршня (увеличиваются обороты вала). После достижения требуемой скорости движения поршня (обороты увеличены, но постоянны) ВКС вновь переключаются на работу поочередно, причем в зависимости от достигнутой скорости движения поршня работают поочередно две, три или все четыре ВКС (одновременная работа ВКС).

Когда увеличение скорости движения поршня не требуется в максимальном режиме, возможна работа одновременно трех ВКС или даже двух ВКС. В последнем случае происходит поочередная работа двух плюс двух ВКС, что соответствует и поочередной, и одновременной работе ВКС (комбинированная работа ВКС). При выборе режима работы учитывается получаемая степень сжатия. При большем числе ВКС 1, 2, 3 время, отводимое на образование и горение топливной смеси при поочередной работе увеличивается, а при одновременной работе происходит суммарное увеличение силы, действующей на поршень 7, пропорционально увеличению числа ВКС 1, 2, 3. Это достигается при соответствующем увеличении наполнения цилиндра воздухом или топливной смесью пропорционально увеличению числа ВКС 1, 2, 3 (иначе говоря, увеличивается литраж в два или более раз пропорционально увеличению числа камер).

Этот способ дает возможность регулировать степень сжатия и мощность, что особенно существенно при работе с наддувом, а также регулировать (изменять) время, отводимое на образование и горение топливной смеси.

В зависимости от выбранной схемы энергетической установки и заданного режима работы, время горения топлива может регулироваться и с учетом изменения момента впрыска топлива и подачи искры в очень широких пределах: от минимума при малых скоростях поршня (малые обороты вала) до максимума при максимальных скоростях поршня (максимальные обороты вала). Для энергетических установок с кривошипно-шатунным механизмом это соответствует от нуля градусов угла поворота коленчатого вала до 720 градусов угла поворота коленчатого вала и выше (от 0 до 720° угла ПКВ) (фиг.14, 23, 24, 25).

Аналог минимального времени горения топлива - энергетическая установка с ВКС 1, 2, 3 без запорно-регулирующих устройств 8 - есть форкамерные или вихрекамерные ДВС.

Необходимо подчеркнуть, что горение смеси происходит в увеличенном отрезке времени, отведенном на горение столько времени, сколько необходимо при соответствующей скорости поршня (оборотах вала) на полное сгорание топливной смеси. Например, весь отрезок времени, отведенный на горение смеси, равен от 0 до 720° угла ПКВ. Это означает, что возможно при 1000 об/мин полное сгорание смеси будет в течение 60° угла ПКВ. При 2000 об/мин горение смеси будет в течение 120° угла ПКВ, при 3000 об/мин - в течение 180° угла ПКВ, при 6000 об/мин - в течение 300° угла ПКВ, при 12000 об/мин - в течение 720° угла ПКВ.

Наличие столь продолжительного времени, отведенного на горение топлива, дает возможность использовать данные энергетические установки в качестве многотопливных, причем с полным сгоранием топлива, что существенно повышает экономичность и экологичность установок, а также дает возможность увеличить скорость движения поршня 7 (поднять намного обороты) энергетической установки, что существенно увеличивает мощность, например, дизельной энергоустановки в 2 и более раз, причем при той же существующей ныне конструкции подачи топлива в камеру сгорания.

Если одну из двух ВКС 1, 2 увеличить в объеме, а ее выпускной канал 5 присоединить ко второй ВКС 1, 2, то получится ресивер 14 (фиг.4-42), способный работать в паре с одной ВКС 1, 2. При большем числе ВКС 1, 2, 3 необходимо ресивер 14 присоединить выпускным каналом 5 к каждой ВКС 1, 2, 3 (фиг.5-42).

Так применение ресивера позволило получить:

- эффективный моторный тормоз;

- компрессорную силовую установку;

- накопление воздуха для продувки ВКС и запуска энергоустановки в работу;

- временную работу только на воздухе;

- использование в других целях накопленного воздуха (например, управление клапанами или тормозами);

- охлаждение воздуха после сжатия и получение увеличенного заряда в камере сгорания (наддув);

- нагрев воздуха в холодное время;

- увеличение (т.е. регулирование) литража и мощности в два и более раз.

Способ работы с ресивером 14 (фиг.4).

После такта впуска поршень 7 в такте сжатия сжимает воздух в ресивер 14 по впускному каналу 4. В ресивере 14 происходит сбор и накопление, охлаждение или нагревание сжатого воздуха. Только затем по выпускному каналу 5 регулируемое количество воздуха поступает в ВКС 1, 2, 3, куда и впрыскивается топливо и где происходит горение топливной смеси с последующим совершением работы от давления сгоревших газов на поршень 7.

При присоединении впускного канала 4 (фиг.4) ресивера 14 к выпускному каналу 5 получим соединительный канал 16 (фиг.7) между ВКС 1, 2, 3 и ресивером 14 с запорно-регулируюшим устройством 8.

Работа с ресивером несколько изменится. Так, в такте сжатия воздух поступает в ВКС 1, 2, 3, а уже затем по соединительному каналу 16 в ресивер 14, где все вышеописанные процессы, начиная со сбора воздуха, повторяются. Охлаждение воздуха в ресивере 14 после сжатия, особенно с наддувом, приводит к большему объему наполнения смесью ВКС 1, 2, 3 и, как следствие, к повышению мощности, экономичности энергоустановки, т.е. происходит увеличение заряда в ВКС 1, 2, 3, или иначе - наддув.

Для регулирования величины заряда, поступающего в ВКС 1, 2, 3 применяют и охлаждение, и нагрев ресивера 14. Нагрев облегчает пуск и работу энергетической установки в холодное время. Кроме того, нагрев и охлаждение регулируют давление в ресивере 14, а следовательно, и давление в ВКС 1, 2, 3, что равнозначно регулированию степени сжатия в ВКС 1, 2, 3. Регулирование давления, т.е. степени сжатия, в ВКС 1, 2, 3 можно производить и редуктором для воздуха, установленным между ресивером 14 и ВКС 1, 2, 3. Так как разное топливо имеет разную допустимую величину степени сжатия, то меняя ее, как и в случае с двумя и более ВКС 1, 2, мы имеем возможность применять разные виды топлива, т.е. мы получаем многотопливную энергетическую установку.

Применение ресивера 14 создает равномерное поступление (распределение) воздуха по ВКС 1, 2, 3 и дает варианты размещения их относительно цилиндра.

В работе рассматриваемой энергоустановки на автомобиле при торможении, или при частичных нагрузках, расхода воздуха из ресивера нет или расход небольшой.

Неизрасходованный и накопленный воздух в ресивере используется для продувки ВКС от остаточных газов или для дополнительного наддува во время разгона автомобиля.

Кроме этого, воздух в ресивере создает ощутимое сопротивление при торможении двигателем - так называемый моторный тормоз. В частности, при торможении двигателем такт расширения и выпуска лучше использовать для дополнительного впуска в цилиндр 6 (за счет открытия впускного клапана) воздуха и сжатия его в ресивер 14 (при закрытом выпускном клапане цилиндра). Так как горение в ВКС не происходит, то нет расхода топлива и воздуха. Получаем двойной эффект: увеличение тормозного момента и увеличение накопленного воздуха.

При накоплении достаточного количества воздуха в ресивере 14 можно осуществить движение автомобиля только за счет энергии воздуха, без расхода топлива.

В работе энергетической установки существенное значение имеет число ВКС, которое выбирается из условия достаточности.

Условие достаточности зависит от:

- степени сжатия;

- количества нагнетаемого воздуха или смеси в ВКС;

- скорости движения поршня 7 (числа оборотов, ходов);

- времени образования и горения топливной смеси;

- способа увеличения мощности (ступенчатым или плавным способом).

Ступенчатый способ - когда для увеличения мощности к работающей ВКС дополнительно подключается еще одна или несколько ВКС, работающих параллельно (одновременно) с первой.

Плавный способ - когда регулирование мощности происходит в ВКС изменением качества и/или количества смеси. Например, когда требуется "мгновенная" большая мощность при малых оборотах, возможно использование двух (или более) ВКС 1, 2, 3 одновременно. Это соответствует увеличению литража (мощности) в два (или более) раза, при том же количестве и объеме цилиндров и той же степени сжатия, а при наддуве и более.

Увеличение литража происходит так.

Объем одной ВКС, как в обычных двигателях, соответствует объему одного цилиндра. Следовательно, если две и более ВКС, то они соответствуют двум и более цилиндрам. Откуда же берется необходимый объем воздуха или топливной смеси. Есть два случая. Первый, как и без ресивера, за счет увеличения наполнения цилиндра в два или более раз. Второй, за счет использования накопленного воздуха, из ресивера 14 происходит непосредственное наполнение ВКС 1, 2, 3 (минуя цилиндр 6), что и равноценно увеличению литража всей энергетической установки.

Именно с ресивером 14 и ВКС 1, 2, 3 возможно получить плавный и ступенчатый способ работы энергетической установки, который не зависит от цикличности работы поршня, а зависит от скорости поршня (оборотов вала) и задаваемого времени горения смеси. Т.е. наличие ресивера позволяет плавно регулировать мощность за счет увеличения количества подаваемого заряда (воздуха, смеси), а также ступенчато-мгновенно увеличивать литраж и мощность за счет увеличения числа работающих ВКС и величины наполнения заряда в них. При этом время, отводимое на горение топливной смеси, получается достаточное для полного сгорания топлива и не требуется дополнительного подключения ВКС для поочередной работы, хотя возможен и такой вариант. Такая работа ВКС 1, 2 становится возможной благодаря времени, отведенному на горение топлива, соответствующему ходу поршня в цилиндре. Для энергетических установок с кривошипно-шатунным механизмом это соответствует от 0 до 180° угла ПКВ и выше, а для свободно-поршневых, чем больше ход, тем больше время, отводимое на горение.

При значительном накоплении воздуха в ресивере его можно использовать для других нужд. В частности, как компрессорную установку или газогенератор. Последние возможности очень легко осуществить с меньшими затратами в свободно-поршневых энергетических установках, где наличие ВКС 1, 2, 3, ресивера 14 и отсутствие преобразующего механизма в сумме дают вместо двух агрегатов объединенный, выполненный в одном корпусе. Это существенно уменьшает вес, габариты и расход топлива при низкой токсичности отработавших газов.

В заявленной энергетической установке поршень в цилиндре может не иметь (фиг.20) или иметь (фиг.14) механизм для преобразования движения одного тела (поршня) в движение другого тела (вала). В этом одном цилиндре осуществляются все такты при работе по двух- или четырехтактному циклам.

Для работы предлагаемой энергетической установки с двумя 17 (фиг.8-42) или несколькими цилиндрами 21 (фиг.9-42) существуют условия соединения их между собой.

Так, в конструкциях без ресивера (фиг.8, 9, 10) соединение выполняется между ВКС 1, 2, 3 одного цилиндра 6 и мертвым объемом каждого цилиндра 17, 21 соединительным каналом 19, имеющим запорно-регулирующее устройство 20, причем общее число ВКС 1, 2, 3 должно быть не менее двух.

В конструкциях с ресивером (фиг.11, 12, 13) соединение выполняется между ресиверами 14 (фиг.13) всех цилиндров 6, 17, 21 (фиг.13) соединительным каналом 23 (фиг.13), имеющим запорно-регулируюшее устройство 24 (фиг.13), причем общее число ВКС 1, 2, 3 может быть равно одной или более 1 (фиг.12).

Работа многоцилиндровой энергетической установки может осуществляться как по 2- и 4-тактному циклу, так и по разделенному 4-тактному циклу (аналогично прототипу).

Особого рассмотрения требует комбинированный случай, когда в многоцилиндровой энергетической установке цилиндры с поршнями выполнены по разнообразным типам и конструкциям, с возможностью работы одновременно по 2-, 4-тактному и разделенному 4-тактному циклам одновременно.

Например, восемь цилиндров с поршнями выполнены по свободно-поршневой конструкции 26 (фиг.39), два цилиндра с поршнями по конструкции с кривошипно-шатунным механизмом 27 и один цилиндр с поршнем по конструкции типа Ванкеля 28. Причем свободно-поршневая конструкция 26 работает по разделенному 4-тактному циклу, кривошипно-шатунная 27 по 2-тактному циклу, а типа Ванкеля 28 по второй части разделенного 4-тактного цикла, т.е. осуществляет работу при такте расширение, а затем идет выпуск отработавших газов, которые вместе с отработавшими газами от остальных цилиндров 26, 27 вращают турбину компрессора 25 (фиг.39). Всасываемый в турбокомпрессор воздух нагнетается по впускному каналу 9 и поступает в цилиндр свободно-поршневой конструкции 26, работающий по циклу компрессора. Оттуда по соединительному каналу 15 воздух нагнетается в ресивер 14, общий для всей комбинированной установки, где он накапливается и охлаждается (или нагревается). Из ресивера 14 по соединительным каналам 16 воздух поступает ко всем ВКС 1, 2, где происходит смешивание с топливом и горение образовавшейся топливной смеси. Сгоревшие газы давят на поршни, приводя их в движение. При этом поршни свободно-поршневой конструкции 26, совершая возвратно-поступательное движение, обеспечивают установку воздухом. Поршни с кривошипно-шатунным механизмом 27 совершают работу и превращают поступательное движение поршня во вращение вала. При обратном ходе они совершают такт сжатия в ресивер 14. Роторный поршень по конструкции Ванкеля 28 совершает работу и преобразует вращение поршня во вращение вала. Причем сам поршень может двигаться реверсивно, совершая работу как в одну, так и в другую сторону вращения. Если рассмотренную комбинированную установку расположить на автомобиле, то поршень с кривошипным механизмом приводит во вращение передние колеса, поршень по типу Ванкеля - задние колеса, а свободно-поршневая конструкция, расположенная посередине, обеспечивает все двигатели и другие потребности автомобиля в воздухе.

Конструкция, содержащая две или более ВКС 1, 2, 3, или ресивер 14 и ВКС 1, 2, 3, обладает способностью за счет накопления топливной смеси или воздуха, содержащихся в двух или более ВКС 1, 2, 3 или ресивере 14, производить пуск энергетической установки в любое время без стартера, причем реверсивно. Для этого лишь необходимо иметь не менее трех рабочих объемов, смешенных относительно друг друга на одинаковое расстояние, и для роторно-поршневых конструкций дополнительно менять местами направление впуска 9 и выпуска 10 из цилиндра 6 (дополнительно установить каналы 9, 10 с запорными устройствами 11).

Например, в конструкции по типу Ванкеля в одном трохоидальном цилиндре 6 (фиг.16) с одним трехгранным поршнем 7 (фиг.16) образуется три рабочих объема, а в одном цилиндре 6 (фиг.14) с поршнем 7 (фиг.14), соединенным с кривошипно-шатунным механизмом, образуется один рабочий объем. Следовательно, для выполнения условия необходимо иметь три цилиндра 6 с поршнями 7 (фиг.41). Исключение - для конструкций свободно-поршневых (фиг.20, 21). Для них число рабочих объемов не имеет значения.

Если в трохоидальном цилиндре 6 (фиг.16) с трехгранным ротором 7 (фиг.16) расположение объемов уже зафиксировано самой конструкцией, то в цилиндрах с поршнями, имеющими кривошипно-шатунный механизм, такого расположения нет (фиг.14). Величину этого смещения по ходу поршня в цилиндре (фиг.41, 42) относительно друг друга можно определить по соотношению ,

где h≥3 - число поршней;

2S - двойной ход поршня.

При рядном расположении цилиндров (фиг.41, 42) одинаковое смещение между поршнями 7 (фиг.41, 42) можно получить, если пользоваться облегченным соотношением

где L° - угол развала между коленами, по углу поворота коленчатого вала;

K≥3 - число колен коленчатого вала, каждое из которых соединено шатуном с одним поршнем.

Для пуска в работу энергетической установки без стартера необходимо подать искру на свечу 13 и топливо 12 в ВКС 1, 2, 3, и после того как топливная смесь сгорит, открыть запорное устройство 8 в выпускном канале 5 ВКС 1, 2, 3. Пуск осуществлен.

В поршневых установках с кривошипно-шатунным механизмом подачу искры на свечу 13 надо производить в ВКС 1, 2, 3 соответствующего цилиндра, выбранного с учетом направления движения поршня (т.е. направления вращения коленчатого вала), а в роторно-поршневых установках необходимо открыть запорное устройство 8 (фиг.16) в выпускном канале 5 из ВКС 1, 2, 3, соответствующем выбранному направлению вращения поршня-ротора, и открыть или закрыть запорные устройства 11 в соответствующих каналах впуска 9 и выпуска 10 из цилиндра 6.

Способ пуска с ресивером 14 может несколько отличаться от вышеописанного. Воздух из ресивера 14 подается во все ВКС 1, 2, 3 при закрытых запорных устройствах 8 в выпускных каналах 5 из всех ВКС 1, 2, 3. После заполнения воздухом ВКС 1, 2, 3 закрываются запорные устройства 8 в впускном канале 4 и впрыскивается топливо через форсунку 12 в ВКС 1, 2, 3. Топливная смесь поджигается свечами 13 во всех ВКС 1, 2, 3 цилиндра 6.

Топливо сгорит обязательно даже в холодное время, т.к. время на горение не ограничено. Запорное устройство 8 в выпускном канале 5 открывается у всех ВКС 1, 2, 3 цилиндра 6 одновременно. Пуск осуществлен.

Так как в ресивере 14 имеется накопленный воздух, то в случае необходимости пуск можно повторить.

Так, при остановке автомобиля у светофоров необходимо останавливать работу двигателя, т.к. для продолжения движения возможно "мгновенно" осуществлять пуск работы двигателя.

Работа "стоп-старт" существенно экономит топливо и не загрязняет окружающую среду. Надобность в передаче "заднего хода" или реверса в коробке перемены передач отпадает, а необходимость самой коробки передач можно поставить под сомнение. Ее функцию могут выполнять дополнительные ВКС 1, 2, 3.

Системы питания, смазки и охлаждения описанной энергетической установки ничем не отличаются от известных.

Таким образом, заявленная энергетическая установка обладает следующими положительными качествами.

Наличие двух или более ВКС позволяет улучшить процесс горения, что обеспечивает полное сгорание топлива в многотопливной установке и, как следствие, повышение мощности, топливной экономичности, уменьшение выброса токсичных газов. Применение двух или более ВКС увеличивает литраж установки в два и более раз без увеличения числа цилиндров и размеров самой установки, увеличивает обороты в два и более раз без изменения топливоподающих устройств, а все это вместе увеличивает мощность установки при тех же весовых и габаритных величинах. Применение ресивера дополнительно улучшает экономичность и повышает мощность при еще меньшей токсичности. Возможность пуска при отсутствии стартера не только облегчает энергоустановку, но также отпадает необходимость в больших и мощных аккумуляторах, что ведет к существенной экономии.

Применение энергетической установки в качестве эффективного моторного тормоза способствует безопасности движения.

Наилучших результатов дает возможность применения в комбинированных установках свободно-поршневых конструкций. Здесь уменьшается вес, габариты, а ко всем перечисленным положительным качествам добавляется возможность произвольного расположения агрегатов энергетической установки.

Источники информации

1. А.с. №547539, кл. F 02 B 53/00 от 07.07.75 г.

2. Журнал "За рулем", 2000, №5, с.43, рис. в.

3. Журнал "За рулем", 2001, №2, с.40-42.

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно, к производству двигателей внутреннего сгорания и на их базе энергоустановок (газогенераторов, компрессорных станций). Энергетическая установка содержит две или более вынесенные камеры сгорания или ресивер, работающий в паре с вынесенной камерой или камерами сгорания. Они соединены каналами с цилиндром, в котором движется поршень. Цилиндр с поршнем образуют рабочую камеру. В соединительных каналах выполнены запорно-регулирующие устройства. Несколько цилиндров, в которых движутся поршни, соединенные между собой каналами, образуют комбинированную энергетическую установку, способную работать реверсивно, причем без стартера. Изобретение обеспечивает создание эффективной, экологически чистой, многотопливной энергетической установки с увеличенным временем, отводимым на образование и горение топливной смеси в вынесенных камерах сгорания, не контактирующих с поршнем во время горения топлива. 5 з.п. ф-лы, 42 ил.

1. Энергетическая установка, содержащая цилиндр и поршень, образующие рабочую камеру, канал впуска в цилиндр, канал выпуска из цилиндра, вынесенную камеру сгорания, соединенную через впускной и выпускной каналы с мертвым объемом цилиндра, запорно-регулируюшие устройства во впускном и выпускном каналах, отличающаяся тем, что она выполнена с не менее двумя вынесенными камерами сгорания, каждая из которых соединена каналами впуска и выпуска с мертвым объемом цилиндра.2. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что одна из вынесенных камер сгорания выполнена ресивером и ее выпускной канал соединен с каждой вынесенной камерой сгорания.3. Энергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что впускной и выпускной каналы вынесенной камеры сгорания выполнены в одном канале.4. Энергетическая установка по любому из пп.2 и 3, отличающаяся тем, что впускной и выпускной каналы ресивера выполнены в одном канале, соединяющем его с каждой вынесенной камерой сгорания.5. Энергетическая установка по любому из пп.1 и 3, отличающаяся тем, что каждая вынесенная камера сгорания соединена каналом, имеющим запорно-регулируюшее устройство, с мертвым объемом второго цилиндра.6. Энергетическая установка по любому из пп.2-4, отличающаяся тем, что ресивер соединен каналом, имеющим запорно-регулирующее устройство с ресивером второго цилиндра.