КАМЕРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ГРЕБЕНЮКА Российский патент 2008 года по МПК F02B71/04 F02B45/08 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности к двигателям, в которых в качестве носителя энергии используются жидкости, газы. Двигатель может найти применение, например, в автотракторной промышленности и других областях техники.

Известен автомобильный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий распределительный вал с кулачками управления, клапаны, камеру сгорания топлива и систему зажигания (С.И.Богданов и др., Автомобильные двигатели, М. «Машиностроение», 1987, стр.70-71, 298).

Недостатком известного двигателя являются низкие удельные энергические и экономические показатели из-за сложной кинематической схемы, большого количества вращающихся элементов, высокая удельная металлоемкость. Низкая эффективность ДВС заложена в самой кинематике, так как из четырех тактов полезным является только один - рабочий ход, а остальные - только отбирают полезную работу.

Так как ДВС жестко связан с ведущими колесами транспорта, то неизбежно наличие холостых оборотов двигателя при его прогреве, при остановке на перекрестках, в «пробках» и т.д. Это приводит к значительному расходу топлива, особенно при движении в городских условиях, и ухудшению экологии окружающей среды из-за дополнительных выбросов отработавших газов во время остановки.

ДВС высокооборотистые, мощные, они выбрасывают большие объемы выхлопных газов с высокой частотой выброса, содержащих вредные вещества, такие как СО, СН, NO₂, бензол, этилбензол, толуол и др. Имеющиеся системы газоочистки не обеспечивают очистку выхлопа до уровня предельно допустимой концентрации (ПДК).

Экономия топлива в настоящее время частично решается гибридными силовыми установками за счет запасания кинетической энергии автомобиля при торможении и возврата ее при последующем разгоне. Для этого установка снабжена аккумуляторами низкого и высокого давления, гидромотором и масляным баком. При торможении к валу, выходящему из коробки передач, подключается гидронасос, перекачивающий масло из аккумулятора низкого давления в аккумулятор высокого давления. При работе насоса масло сжимает газ (азот) в аккумуляторе до давления 350 атмосфер, используя эффект торможения, а при разгоне насос превращается в гидромотор и подкручивает карданный вал в помощь ДВС (Журнал «За рулем» 2006 г., №5, стр.22). Экономия топлива достигает 25-35 процентов и настолько же уменьшаются вредные выбросы.

Вместе с тем гибридной силовой установке присущи недостатки ДВС. Наличие двух двигателей: дизель и гидродвигатель, усложняет трансмиссию привода автомобиля т.к. сохраняется коробка скоростей, кардан, задний мост ведущих колес.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания двигателя для транспортных средств, стационарных установок и т.п., который бы решал следующие вопросы:

- повышение надежности и долговечности за счет значительного сокращения количества трущихся, вращающихся и движущихся возвратно-поступательных деталей, таких присущих ДВС как цилиндропоршневые и кривошипно-шатунные механизмы;

- в качестве рабочего тела, носителя энергии привода ведущих транспортных колес, использование жидкостей или газов, вместо использования, как в ДВС, цилиндропоршневого механизма;

- использование отработавших газов для ускоренной подачи рабочего тела и создания степени сжатия в камере взрыва;

- использование рабочего тела не только как носителя энергии привода, но и как источника предварительной очистки отработавших газов;

- осуществление регулировки выходной мощности двигателя в ходе его работы при движении транспортного средства;

- повышение удельных энергетических и экономических показателей.

Поставленная задача решается камерным двигателем, который содержит систему зажигания, клапаны загрузки топливно-газовой смеси и выпуска отработавших газов, распределительный вал с кулачками, взаимодействующими с упомянутыми клапанами, привод распределительного вала и рабочее тело.

Заявленный двигатель снабжен камерами взрыва, накопления энергии, загрузочной рабочим телом и дозирования, пневмоаккумулятором с подпружиненным поршнем, распределителем с золотником и дополнительными кулачками, установленными на распределительном валу. Камера накопления энергии связана с камерой взрыва и трубопроводом с потребителем энергии, камера дозирования связана с камерой взрыва и загрузочной камерой. Пневмоаккумулятор разделен подпружиненным поршнем на две полости. Распределитель входным каналом трубопроводом связан с камерой взрыва, а выходящими каналами с камерами загрузочной, дозирования и нижней полостью пневмоаккумулятора, верхняя полость которого связана с атмосферой и устройством подачи топливно-воздушной смеси. Дополнительные кулачки установлены на распределительном валу, один из которых взаимодействует с клапаном, связывающим камеры дозирования и взрыва, а другой с золотником распределителя. Загрузочная камера снабжена патрубком, соединяющим ее с системой потребителя энергии для возврата рабочего тела в загрузочную камеру. Камера накопления энергии снабжена датчиком контроля накопления энергии и расхода рабочего тела. Привод распределительного вала имеет регулируемую частоту вращения и выполнен в виде мотор-редуктора. В качестве рабочего тела используется маслянистая жидкость, например минеральное масло или газ, например воздух.

Двигатель включает загрузочную камеру (фиг.1) для рабочего тела, в качестве которого может быть использована маслянистая жидкость, природный газ, камеру дозирования 2, камеру взрыва 3, камеру наполнения энергии 4, пневмоаккумулятор 5, систему зажигания 6, распределительный вал 7 с кулачками управления 8, 9 и 10, взаимодействующими с соответствующими клапанами 8А впуска, 9А загрузки топлива, 10А выпуска отработавших газов и кулачком-распределителем 11, взаимодействующим с золотником распределителя 12. Конструкция связи кулачка 11 и золотника выполняется известным конструктивным решением, например взаимодействие выступа кулачка с подпружиненным золотником. Распределительный вал 7 установлен в подшипниках корпуса двигателя с возможностью регулируемого вращения от привода 13 в виде мотор-редуктора. Загрузочная камера 1 связана с дозирующей камерой 2 посредством клапана 14, открываемого после наполнения камеры 1 необходимым объемом рабочего тела (маслянистой жидкости). В верхней части камеры взрыва 3 смонтирован контейнер 15, который может быть выполнен в виде сетчатого колпака, охватывающего клапан 9А при использовании бризантного взрывчатого вещества, например пороха. Система зажигания 6 может быть известной конструкции, например, с использованием свечи зажигания и прерывателя. Клапан 9А связывает камеру взрыва 3 с устройством 16 загрузки топлива. Трубопровод 17 соединяет камеру взрыва 3 с входным клапаном распределителя 12, который посредством золотника, в соответствии с цикловой диаграммой работы клапанов двигателя, взаимодействующего с кулачком 11, соединяет камеру взрыва 3 по трубопроводу 18 - с дозирующей камерой 2, по трубопроводу 19 - с нижней полостью 20 пневмоаккумулятора 5, по трубопроводу 21 - с камерой 1.

Камера взрыва 3 связана клапаном 22 с камерой накопления энергии 4, которая посредством трубопровода 23 высокого давления связана с потребителем энергии, в качестве которого может быть, например, гидродвигатель ведущего колеса автомобиля, а в его верхней части установлен датчик контроля накопления энергии и расхода рабочего тела 24. Пневмоаккумулятор 5 представляет замкнутую камеру, разделенную на две полости 20 и 26 поршнем 25, который поджимается пружиной 27. Полость 26 посредством клапана 28 сообщается с атмосферой, а через клапан 29, трубопровод 30 - с устройством 16 загрузки топлива. Камера 1 может быть связана с фильтром 31 поэтапной очистки отработавших газов трубопроводом 31А.

Каждый кулачок имеет выступы (фиг.2), которыми он взаимодействует с клапанами, а кулачок 11 имеет четыре выступа 32, 33, 34 и 35, которыми он воздействует на золотник распределителя 12. Кулачки установлены на валу 7 так, что выступ каждого кулачка имеет свое угловое положение в соответствии с выполняемой им функцией по цикловой диаграмме работы двигателя и управления процессами, происходящими в нем. Для возврата рабочего тела от потребителя в камеру загрузки в ней предусмотрен патрубок 36.

Двигатель работает следующим образом. При включении привода 13 получает вращение распределительный вал 7, кулачок 8 открывает клапан 8А и требуемая порция рабочего тела под избыточным давлением поступает из дозирующей камеры 2 в камеру взрыва 3. Клапан 8А закрывается и открывается под воздействием кулачка 9 клапан 9А, производя загрузку топливного контейнера 15 топливом и сжатым воздухом из верхней части 26 пневмоаккумулятора 5, создавая степень сжатия в камере взрыва 3, обеспечивающей большую эффективность взрыва топлива. Затем клапан 9А закрывается и подается искра зажигания в камеру взрыва 3, вследствие этого происходит молниеносное сгорание топлива, которое приводит к выделению огромного количества тепла и образованию раскаленных газов высокого давления. По существу внутри камеры 3 происходит цикличный взрыв топлива. Объем камеры 3 рассчитывается на полное сгорание топлива без его изменения в процессе акта взрыва. В результате создавшегося высокого давления порядка 350 атм на рабочее тело клапан 22 открывается и рабочее тело, например маслянистая жидкость, подается в камеру 4 накопления энергии, которая заполнена нейтральным газом, например азотом, скапливающимся в верхней, над рабочим телом, части камеры. Когда давление и в камере 4 достигает порядка 350 атм, что соответствует выровненному давлению в камерах 3 и 4, клапан 22 закрывается, датчик 24 отключает привод 13, в камере взрыва 3 начинается процесс ее продувки, причем остановка привода 13 и распредвала 7 с кулачками произойдет только в положении «0», т.е. в исходном положении цикла. Рабочее тело под давлением из камеры 4 по трубопроводу 23 поступает в систему потребителя, например в гидромотор транспортного средства, от которого осуществляется процесс привода его колес. Рабочее тело, совершив работу в гидромоторе, направляется из него по трубопроводу 36 в загрузочную камеру 1 для дальнейшего участия в работе двигателя. Двигатель работает по замкнутому циклу. В дальнейшем цикл работы двигателя повторяется.

Процесс продувки осуществляется следующим образом. Распределительный вал 7, вращаясь, кулачком 10 открывает клапан 10А и избыток сжатого отработавшего газа по трубопроводу 17 поступает во входной канал распределителя 12, кулачок 11 выступом 32 воздействует на золотник, перемещая его, соединяет входной канал с трубопроводом 19 и отработавший газ далее поступает в нижнюю полость 20 пневмоаккумулятора 5 до выравнивания давления в его обеих полостях (положение I на фиг.2). При дальнейшем повороте вала 7 кулачок 11, воздействуя выступом 33 на золотник, соединяет камеру 3 с трубопроводом 18 и избыточное давление отработавшего газа подается в дозирующую камеру 2, подготавливая очередную порцию рабочего тела для его последующей ускоренной подачи в камеру взрыва 3 (положение II на фиг.2). При последующем повороте вала 7 кулачок 10 продолжает удерживать своим выступом клапан 10А в открытом положении, кулачок 11 выступом 34 воздействует на золотник и через распределитель 12, трубопровод 21 соединяет камеру 3 с загрузочной камерой 1 (положение III на фиг.2). Так как трубопровод 21 соединен с нижней частью камеры 1, заполненной рабочим телом, отработавшие газы, поступая в камеру 1, проходят через рабочее тело, охлаждаются, поднимаются вверх, проходят предварительную очистку и по трубопроводу 31 А поступают в фильтр 31 поэтапной окончательной очистки отработавших газов. Фильтр 31, не являясь элементом конструкции двигателя, обеспечивает окончательную очистку выхлопных газов до пределов ПДК. При дальнейшем вращении вала 7 кулачок 10 закрывает клапаном 10А камеру 3, а кулачок 11, выступом 35 (положение IV на фиг.2) воздействуя на золотник через распределитель 12, соединяет нижнюю 20 полость пневмоаккумулятора 5 через трубопроводы 19 и 21 с камерой 1 и отработавшие газы также проходят через рабочее тело, предварительно очищаются и через трубопровод 31А поступают в фильтр 31 окончательной очистки. Поршень 25 пневмоаккумулятора 5 под собственным весом и усилием пружины 27 опускается вниз, открывается клапан 28 и атмосферный воздух поступает в верхнюю полость 26 пневмоаккумулятора 5, наполняя ее.

При наполнении камеры 4 избыточным давлением рабочего тела до предельного значения по команде датчика 24 привод 13 отключается и останавливается, подготовив двигатель к новому циклу. Регулирование частоты вращения вала 7 позволяет обеспечить снижение частоты выхлопа отработавших газов и за счет этого достигается полное сгорание топлива в камере 3, имеющей постоянный объем.

Регулированием частоты вращения вала 7 достигается возможность управлять всеми процессами, происходящими в камерах 3 и 4, и за счет этого регулировать на ходу мощность двигателя.

Заявленный двигатель позволяет повысить удельные энергетические и экономические показатели снижением удельной металлоемкости за счет использования в качестве рабочего тела жидкости как энергоносителя для осуществления вращательного движения ведущих колес транспорта и за счет этого добиться повышения КПД транспорта на 60-70 процентов. При этом используется менее дорогое альтернативное топливо. Двигатель более надежен в работе и долговечен, т.к. отсутствуют быстро изнашивающиеся и дорогостоящие детали и узлы, такие как цилиндропоршневая группа, кривошипно-шатунный механизм, коленвал с вкладышами, сцепление, коробка скоростей, кардан, ведущий мост с дифференциалом, электростартер с энергоемким аккумулятором и др.

При использовании предлагаемого двигателя легко устанавливается полноприводной привод транспорта, а с помощью бортового компьютера обеспечивается дополнительное вращение или торможение любого ведущего колеса при его повороте, что обеспечивает устойчивость движения.

Имеется реальная возможность отказаться от существующих в настоящее время систем гидроусилителей руля, тормозов, положения кузова, т.к. возможно использовать для этого бортовую гидросистему от гидропневмоаккумулятора. Кроме этого, используя бортовую пневмосистему (пневмоаккумулятор), можно обеспечить автоматическую подкачку шин колес транспорта даже на ходу, что повышает безопасность движения.

За счет того, что отработавшие газы сначала поступают в загрузочную камеру с рабочим телом, проходят через него, они предварительно очищаются, окончательно охлаждаются и только после этого поступают в предусмотренные в транспортном средстве фильтры для последующей очистки до уровня ПДК и выхода в атмосферу.

Отработанные газы участвуют в работе вспомогательных механизмов двигателя, что снижает затраты на его эксплуатацию и повышает его экономические показатели.

После использования выработанной двигателем энергии, например гидродвигателем ведущих колес транспортного средства, рабочее тело по трубопроводу возвращается в загрузочную камеру для дальнейшего его использования в работе двигателя. Таким образом, двигатель позволяет создать замкнутый цикл с использованием процесса рекуперации.

Конструкция двигателя обеспечивает полное сгорание топлива, что повышает КПД двигателя и улучшает его экологические характеристики.

Бесступенчатое регулирование частоты вращения распределительного вала позволило регулировать на ходу мощность двигателя, т.е. возможность работать как в городском, так и в загородном режимах, соответственно со сниженным и повышенным регулируемым расходом топлива, причем при работе в городских условиях частота выхлопа отработавших газов в несколько раз меньше, чем при загородном режиме, что благотворно сказывается на полной очистке выхлопных газов и на значительную экономию топлива в городских условиях движения.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности автомобильным двигателям, но может быть использовано и в других силовых установках. Камерный двигатель содержит систему зажигания, клапаны загрузки топливно-газовой смеси и выпуска отработавших газов, распределительный вал с кулачками, взаимодействующими с упомянутыми клапанами, привод распределительного вала и рабочее тело, согласно изобретению снабжен камерами взрыва, накопления энергии, загрузочной рабочим телом и дозирования, пневмоаккумулятором с подпружиненным поршнем, распределителем с золотником и дополнительными кулачками, установленными на распределительном валу, при этом камера накопления энергии связана с камерой взрыва и трубопроводом с потребителем энергии, камера дозирования связана с камерой взрыва и загрузочной камерой, пневмоаккумулятор разделен подпружиненным поршнем на две полости, распределитель входным каналом связан трубопроводом с камерой взрыва, а выходящими каналами с камерами загрузочной, дозирования и нижней полостью пневмоаккумулятора, верхняя полость которого связана с атмосферой и устройством подачи топлива, дополнительные кулачки установлены на распределительном валу, один из которых взаимодействует с клапаном, связывающим камеры дозирования и взрыва, а другой с золотником распределителя. Изобретение обеспечивает повышение надежности и долговечности двигателя, регулировку выходной мощности двигателя в ходе его работы, а также повышение удельных энергетических и экономических показателей. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Камерный двигатель, содержащий систему зажигания, клапаны загрузки топливно-газовой смеси и выпуска отработавших газов, распределительный вал с кулачками, взаимодействующими с упомянутыми клапанами, привод распределительного вала и рабочее тело, отличающийся тем, что он снабжен камерами взрыва, накопления энергии, загрузочной рабочим телом и дозирования, пневмоаккумулятором с подпружиненным поршнем, распределителем с золотником и дополнительными кулачками, установленными на распределительном валу, при этом камера накопления энергии связана с камерой взрыва и трубопроводом с потребителем энергии, камера дозирования связана с камерой взрыва и загрузочной камерой, пневмоаккумулятор разделен подпружиненным поршнем на две полости, распределитель входным каналом связан трубопроводом с камерой взрыва, а выходящими каналами с камерами загрузочной, дозирования и нижней полостью пневмоаккумулятора, верхняя полость которого связана с атмосферой и устройством подачи топлива, дополнительные кулачки установлены на распределительном валу, один из которых взаимодействует с клапаном, связывающим камеры дозирования и взрыва, а другой с золотником распределителя.2. Камерный двигатель по п.1, отличающийся тем, что загрузочная камера снабжена патрубком, соединяющим ее с системами потребления энергии и возврата рабочего тела в загрузочную камеру.3. Камерный двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера накопления энергии снабжена датчиком контроля накопления энергии и расхода рабочего тела.4. Камерный двигатель по п.1, отличающийся тем, что привод распределительного вала выполнен в виде мотор-редуктора и имеет регулируемую частоту вращения.5. Камерный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используется маслянистая жидкость, например, минеральное масло или газ, например, воздух.6. Камерный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве топлива используется бризантное взрывчатое вещество.