Способ работы и устройство двигателя внутреннего сгорания
Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, и предназначено преимущественно для использования на автомобильном транспорте. Достигаемый технический результат - дальнейшее повышение топливной экономичности и улучшение экологических характеристик автомобильного ДВС, в частности, за счет практически полного отказа от традиционных систем смазки и охлаждения. Предлагается способ работы ДВС, включающий подготовку топливовоздушной смеси, сжатие, сгорание и расширение в рабочем цилиндре, при котором в начале процесса сжатия в замкнутую полость, образованную цилиндром и выточкой на прилегающей боковой поверхности поршня, нагнетается порция воды или другой парообразующей жидкости для уплотнения контактирующих поверхностей пары цилиндр-поршень и последующего полезного использования энергии образующейся парогазовой смеси. Свободнопоршневой ДВС выполнен по двухтактной схеме и содержит рабочий цилиндр с противоположно движущимися поршнями, жестко соединенными с плунжерами силовых гидронасосов, механизм синхронизации движения поршней, системы воздухоснабжения, выхлопа и питания жидким или газообразным топливом, силовой гидромотор для привода нагрузки, механизм включения двигателя на реализацию рабочего цикла при стабильных параметрах и регулирования мощности путем изменения длительности пауз между циклами, гидроаккумуляторы высокого и низкого давления, гидромотор-расходомер рабочей жидкости, одновременно выполняющий функции привода вспомогательных агрегатов двигателя, клапаны, топливные и гидравлические магистрали и емкости, систему подачи воды или другой испаряющейся жидкости в уплотняющие полости пары цилиндр-поршень и систему утилизации энергии образующейся выхлопной парогазовой смеси. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению, и предназначено преимущественно для использования на автомобильном транспорте.
Традиционно на автомобильном транспорте используются поршневые ДВС с шатунно-кривошипным приводом поршней от коленчатого вала. С целью избавиться от такого привода и существенно уменьшить габариты двигателя в патентной литературе предлагаются многочисленные схемы свободнопоршневых двигателей. Наиболее близким к предлагаемой схеме такого двигателя (прототипом) является комбинированная силовая установка по авт. свид. СССР №527524, опубликованному 05.09.1976, МКИ F 02 B 71/04. Ее недостатки - относительно низкая топливная экономичность, потребность в развитой системе смазки двигателя, относительно неблагоприятная экология.
Задачей настоящего изобретения является дальнейшее повышение топливной экономичности и улучшение экологических характеристик двигателя, в частности, за счет практически полного отказа в двигателе от традиционных систем смазки и охлаждения.
Для решения поставленной задачи предлагается способ работы двигателя внутреннего сгорания с разгруженными от боковых сил поршнями, в частности свободнопоршневого или крейцкопфного, включающий подготовку топливовоздушной смеси, сжатие, сгорание и расширение в рабочем цилиндре, при этом в начале процесса сжатия в замкнутую полость, образованную цилиндром и выточкой на прилегающей боковой поверхности поршня, нагнетается порция воды или другой парообразующей (испаряющейся) жидкости для уплотнения и охлаждения контактирующих поверхностей пары цилиндр-поршень и последующего полезного использования (утилизации) энергии и теплоты образующейся парогазовой смеси в расширительной машине, для отопления помещения или на другие бытовые нужды. Для свободнопоршневого двигателя дополнительно предусмотрен процесс автоматической ликвидации аварийных или нерасчетных режимов работы. В альтернативном способе работы порция парообразующей жидкости дополнительно подается в камеру сгорания двигателя.
В качестве конкретного варианта реализации заявленного способа предлагается двигатель внутреннего сгорания, выполненный по свободнопоршневой двухтактной схеме и содержащий рабочий цилиндр с противоположно движущимися поршнями, жестко соединенными с плунжерами силовых гидронасосов, механизм синхронизации движения поршней, системы воздухоснабжения, выхлопа и питания жидким или газообразным топливом, силовой гидромотор для привода нагрузки, механизм включения двигателя на реализацию рабочего цикла при стабильных параметрах и регулирования мощности путем изменения длительности пауз между циклами, гидроаккумуляторы высокого и низкого давления, гидромотор-расходомер рабочей жидкости, одновременно выполняющий функции привода вспомогательных агрегатов двигателя, клапаны, топливные и гидравлические магистрали и емкости; при этом он снабжен системой подачи воды или другой парообразующей жидкости в замкнутые уплотняющие полости, образованные цилиндром и выточками на прилегающей боковой поверхности поршней, а также системой утилизации энергии образующейся выхлопной парогазовой смеси. В альтернативном варианте исполнения двигателя для дополнительного парообразования уплотняющая водяная полость пары цилиндр-поршень сообщена с камерой сгорания калиброванным отверстием, либо для этих целей используется индивидуальная водяная форсунка.
В предпочтительном варианте системы воздухоснабжения и утилизации энергии выхлопной парогазовой смеси включают турбокомпрессор с обратимым гидронасосом, гидравлически связанным с аккумуляторами высокого и низкого давления и обеспечивающим съем избыточной мощности с вала турбокомпрессора при работающем двигателе или предварительную раскрутку турбокомпрессора при запуске двигателя. При этом используется гидронасос регулируемой или нерегулируемой производительности с управлением по сигналу от центробежного регулятора.
В альтернативном варианте система воздухоснабжения включает продувочный компрессор объемного типа с приводом от вала гидромотора-расходомера рабочей жидкости, а система утилизации энергии выхлопной парогазовой смеси содержит свободную турбину с гидронасосом.
Механизм синхронизации движения поршней выполнен в виде уравновешенной реечно-шестеренчатой передачи.
Система питания жидким топливом включает топливную форсунку и диафрагменный насос, одна из полостей которого содержит топливо и сообщена с форсункой, а другая сообщена с аккумулятором низкого или высокого давления посредством регулятора подачи топлива с приводом от механизма синхронизации.
Механизм включения и регулирования мощности двигателя снабжен системой автоматической ликвидации аварийных или нерасчетных режимов работы двигателя и выполнен с использованием вращающегося золотника с приводом от гидромотора-расходомера рабочей жидкости, цилиндрических золотников с гидроприводом, дросселя, обратного клапана и гидравлического мини-аккумулятора пружинно-поршневого типа, работающего в импульсном режиме.
Система подачи воды выполнена идентичной системе питания жидким топливом и включает диафрагменный насос с приводом от аккумулятора низкого или высокого давления, регулятор подачи воды, выполненный в виде единого блока с регулятором подачи жидкого топлива, емкость для воды, форсунки и трубопроводы с обратным клапаном.
Система выхлопа включает конденсатор пара, влагоотделитель и насос для возврата воды в емкость.
Рабочий цилиндр и поршни выполнены с использованием керамики для нагреваемых поверхностей.
На чертеже представлены принципиальная гидравлическая схема двигателя и конструктивные схемы основных его элементов и агрегатов.
Свободнопоршневой ДВС содержит следующие основные элементы.
- Блок поршней 1 - основной рабочий элемент двигателя, в котором происходит преобразование тепловой энергии сгоревшего топлива в энергию давления жидкости. Он включает в себя рабочий цилиндр 2 с продувочными (слева) и выхлопными (справа) окнами и два рабочих, противоположно движущихся поршня 3, выполненные с использованием керамики для нагреваемых поверхностей, механизм синхронизации движения поршней 4 с рейками 5 и 6 и шестернями 7, 8 и 9. Шестерни 7 и 8 размещены на общем валу, причем диаметр второй существенно меньше диаметра первой, чем достигается заметное снижение инерционной массы механизма синхронизации. Штоки 10 поршней выполняют функции плунжеров силовых гидронасосов или ДВС-насосов.
- Аккумулятор низкого давления (НД) 11, обеспечивающий накопление энергии рабочей жидкости для совершения тактов сжатия. Давление в аккумуляторе НД составляет 70... 100 кгс/см2 .
- Аккумулятор высокого давления (ВД) 12, обеспечивающий накопление энергии рабочей жидкости при цикле расширения (рабочем ходе) для привода нагрузки и всех агрегатов двигателя. Давление в аккумуляторе ВД составляет 200... 250 кгс/см2. Для снижения гидравлических потерь в трубопроводах и улучшения компоновки двигателя аккумуляторы ВД и НД на чертеже имеют вытянутую цилиндрическую форму и по длине близки к длине двигателя.
- Механизм включения и регулирования мощности двигателя с вращающимся золотником 13, цилиндрическими золотникам 14 и 15, гидравлическим мини-аккумулятором 16 пружинно-поршневого типа, обеспечивающие периодическое включение двигателя на совершение одного полного цикла (сжатие - рабочий ход) и правильное его функционирование, а также автоматическую ликвидацию аварийных или нерасчетных режимов работы двигателя (например, при пропуске вспышки в цилиндре). Это достигается следующими регулировками:
при вращении золотника 13 против часовой стрелки с ограниченной скоростью полости слева от золотника 15 и сверху над поршнем мини-аккумулятора 16 соединяются между собой. При этом поршень имеет такое ограниченное перемещение вниз, чтобы обеспечить четкое перемещение золотника 15 в крайнее левое положение. В этом случае полость слева от поршня 17 соединяется со сливом, обратный клапан 18 ДВС-насосов открывается и происходит включение двигателя (такт сжатие - сближение поршней 3) под воздействием рабочей жидкости аккумулятора НД на плунжеры 10;
пружина 19 имеет такую затяжку, чтобы при рабочем ходе (поршни 3 расходятся, обратные клапаны 20 открыты) сигнал от аккумулятора ВД проходил через обратный клапан 21 и быстро перемещал золотник 15 в крайнее правое положение;
дроссель 22 имеет такую настройку, чтобы при отсутствии сигнала от клапана 21 обеспечить относительно медленный возврат золотника 15 в крайнее правое положение под воздействием рабочей жидкости из аккумулятора ВД;
золотник 14 и поршень 23 имеют такие диаметральные размеры, чтобы обеспечить перемещение золотника 14 в крайнее верхнее положение при падении давления над золотником (в полости А) ниже давления в аккумуляторе ВД (рA&
; рвд) и давлениях рв=0 и р с
рнд. Такой случай - аварийный - означает, что поршни 3 в силу каких-то причин (некачественное сгорание, полное отсутствие вспышки и др.) не вернулись в исходное (изображенное на схеме) положение. При этом золотник 14 соединяет рабочую полость плунжеров 10 со сливом и механизм синхронизации 4 под давлением жидкости от аккумулятора НД на правый торец рейки 6 будет разводить поршни 3 до тех пор, пока последние не займут исходное положение и сигнал об этом пройдет от аккумулятора НД через золотник рейки 6 к поршню 23, опустив золотник 14 вниз. Схема будет подготовлена к следующему циклу.
- Система воздухоснабжения с турбокомпрессором 24 и воздушным фильтром 25, обеспечивающая продувку, наддув и охлаждение рабочего цилиндра и поршней. В другом варианте для этих целей используется продувочный компрессор объемного типа (не показан) с приводом.
- Обратимый высокооборотный регулируемый или нерегулируемый (например, винтовой) гидронасос 26, кинематически связанный с валом турбокомпрессора и гидравлически - с аккумуляторами ВД и НД. При пуске двигателя он работает в режиме гидромотора (среднее положение золотника 27) и создает предварительную закрутку турбокомпрессора для продувки полости цилиндра. При работе в режиме гидронасоса (изображенное на чертеже положение золотника 27) он снимает энергию парогазовой смеси с турбины и преобразует ее в энергию давления рабочей жидкости. Переключение с первого режима на второй осуществляется с помощью центробежного регулятора 28, приводимого от вала насоса 26. Таким образом, потери с выхлопными газами и на охлаждение двигателя сводятся к минимуму, определяемому в основном к.п.д. турбины.
- Выхлопная система 29 с конденсатором пара, влагоотделителем и насосом для возврата воды в емкость 30.
- Гидронасос 31, питающий аккумулятор НД. Производительность насоса регулируется в зависимости от падения давления в аккумуляторе НД посредством автомата разгрузки 32 насоса.
- Расходомер-гидромотор 33, обеспечивающий привод насоса 31, вращающегося золотника 13 механизма включения и регулирования мощности двигателя, компрессора, электрогенератора и других вспомогательных агрегатов, на чертеже не показанных.
- Силовой реверсивный гидромотор 35 регулируемого крутящего момента для привода нагрузки.
- Управляющий распределитель 36, обеспечивающий изменение скорости вращения нагрузки и регулирование числа циклов двигателя.
- Бак 37 и гидравлические трубопроводы для хранения, сбора и транспортировки рабочей жидкости.
- Система топливопитания двигателя для подачи жидкого топлива в цилиндр двигателя в строго дозированных неизменных количествах. Она содержит диафрагменный топливный насос 38 с гидравлическим приводом, регулятор подачи топлива 39, топливную форсунку 40, топливный бак 41 и топливные трубопроводы с обратным клапаном 42. В общем случае в схеме присутствуют также дополнительный подкачивающий топливный насос и аварийный ручной гидронасос для закачки рабочей жидкости в аккумуляторы ВД и НД (не показаны). Привод топливного регулятора 39 осуществляется от шестерни 9 механизма синхронизации. Разворотом профилированного кулачка или эксцентрика 43 относительно оси шестерни 9 осуществляется регулировка момента впрыска топлива, а с помощью болта 44 с контргайкой 45 - количество подаваемого топлива. Впрыск топлива в цилиндр происходит в конце процесса сжатия при сближении поршней 3 и крайнем левом положении золотника 15; в этот момент гидравлическая полость топливного насоса 38 сообщена с аккумулятором ВД. При рабочем ходе поршней золотник 15 занимает крайнее правое положение и гидравлическая полость топливного насоса переключается с аккумулятора ВД на слив рабочей жидкости в бак 37.
- Система подачи воды, включающая диафрагменный насос 46 с приводом от аккумулятора НД или ВД и регулятора подачи воды (и топлива) 39, емкость 30, форсунки 47 и 48 и трубопроводы с обратным клапаном 49.
Свободнопоршневой ДВС на расчетном режиме работает следующим образом. Гидравлическая система регулирования формирует периодические команды на проведение в ДВС одного рабочего цикла “сжатие - рабочий ход”. По этим командам к плунжерам 10 ДВС-насоса подается рабочая жидкость из аккумулятора НД для проведения цикла сжатия в рабочем цилиндре; цикл расширения или рабочий ход осуществляется после подачи и сгорания топлива в цилиндре и сопровождается вытеснением рабочей жидкости плунжерами 10 ДВС-насоса в аккумулятор ВД. Разность энергий жидкости в аккумуляторах ВД и НД используется для привода колес автомобиля через силовой регулируемый гидромотор 35.
Регулирование производится таким образом, что за один цикл:
в цилиндр двигателя подается всегда одно и то же количество топлива;
к плунжерам 10 ДВС-насоса подается всегда одно и то же количество рабочей жидкости из аккумулятора НД при одном и том же давлении;
плунжеры 10 ДВС-насоса подают всегда один и тот же объем рабочей жидкости в аккумулятор ВД при одном и том же давлении;
работа цикла всегда одна и та же, параметры цикла не регулируются, постоянны;
время протекания цикла всегда одно и то же, при постоянных средних скоростях движения поршней.
Регулирование мощности двигателя осуществляется регулированием числа циклов в единицу времени за счет изменения длительности пауз между циклами. Длительность пауз задается положением педали управления, воздействующей на управляющий распределитель 36, по команде от гидравлической системы регулирования и в зависимости от этого положения непрерывно регулируется во всем диапазоне от нуля (циклы следуют один за другим) до бесконечности; мощность соответственно регулируется непрерывно во всем диапазоне от максимальной (педаль нажата до предела) до нуля (педаль отпущена) при полном отсутствии режимов холостого хода. В зависимости от конкретных условий эксплуатации двигателя рабочий цикл может быть настроен либо на режим максимальной мощности, либо на режим наибольшей топливной экономичности, либо, наконец, на режим работы с наилучшими экологическими характеристиками.
В процессе цикла сжатия в цилиндре двигателя водяной насос 46 подает порцию воды в замкнутую полость Е, образованную поверхностью цилиндра и выточками на прилегающей боковой поверхности поршней 3, создавая необходимое уплотнение рабочей полости цилиндров. Частично или полностью эта вода испаряется под воздействием температуры сгоревшей топливовоздушной смеси и образует парогазовую смесь. Последняя используется далее в турбине турбокомпрессора 24 с гидронасосом 26 и поступает в конденсатор выхлопной системы 29, из которого вода снова собирается для повторного использования. В альтернативном варианте уплотняющая полость Е поршней снабжена калиброванными отверстиями (диаметр D на чертеже) для подачи дополнительной порции воды в камеру сгорания двигателя и усиления процесса парообразования, либо для этой цели используется индивидуальная водяная форсунка. Это дает возможность подобрать оптимальный режим работы двигателя как по топливной экономичности, так и по экологическим требованиям.
Возможность в данном случае водяного уплотнения рабочей полости цилиндра вместо традиционных обильно смазываемых поршневых колец обусловлена следующими соображениями. В традиционных ДВС с приводом поршней посредством шатунно-кривошипного механизма в контакте пары цилиндр-поршень развиваются значительные боковые усилия. С целью избежать больших потерь на трение и уменьшить износ этой пары и применяется развитая система смазки трущихся поверхностей и уплотняющих поршневых колец. В свободнопоршневой или других схемах двигателя с разгруженными от боковых сил поршнями (в частности, крейцкопфных) смазки “трущихся” поверхностей как таковой не требуется. Остается проблема уплотнения зазора пары цилиндр-поршень, которую и предлагается решить с помощью “водяного затвора”.
Если при этом учесть, что помимо системы смазки в двигателе отсутствуют также традиционные система охлаждения, система запуска и холостого хода, система регулирования параметров рабочего цикла, то преимущества предлагаемой конструкции двигателя выглядят весьма внушительными.
Формула изобретения
1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания с разгруженными от боковых сил поршнями, в частности, свободнопоршневого или крейцкопфного, включающий подготовку топливовоздушной смеси, сжатие, сгорание и расширение в рабочем цилиндре, отличающийся тем, что в начале процесса сжатия в замкнутую полость, образованную цилиндром и выточкой на прилегающей боковой поверхности поршня, нагнетается порция воды или другой парообразующей жидкости для уплотнения и охлаждения контактирующих поверхностей пары цилиндр-поршень и последующей утилизации энергии и теплоты образующейся парогазовой смеси.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для свободнопоршневого двигателя дополнительно предусмотрен процесс автоматической ликвидации аварийных или нерасчетных режимов работы.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что порция парообразующей жидкости дополнительно подается в камеру сгорания двигателя.
4. Двигатель внутреннего сгорания, выполненный по свободнопоршневой двухтактной схеме и содержащий рабочий цилиндр с противоположно движущимися поршнями, жестко соединенными с плунжерами силовых гидронасосов, механизм синхронизации движения поршней, системы воздухоснабжения, выхлопа и питания жидким или газообразным топливом, силовой гидромотор для привода нагрузки, механизм включения двигателя на реализацию рабочего цикла при стабильных параметрах и регулирования мощности путем изменения длительности пауз между циклами, гидроаккумуляторы высокого и низкого давления, гидромотор-расходомер рабочей жидкости, одновременно выполняющий функции привода вспомогательных агрегатов двигателя, клапаны, топливные и гидравлические магистрали и емкости, отличающийся тем, что он снабжен системой подачи воды или другой парообразующей жидкости в замкнутые уплотняющие полости, образованные цилиндром и выточками на прилегающей боковой поверхности поршней, а также системой утилизации энергии образующейся выхлопной парогазовой смеси.
5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что для дополнительного парообразования уплотняющая водяная полость пары цилиндр-поршень сообщена с камерой сгорания калиброванным отверстием, либо для этих целей используется индивидуальная водяная форсунка.
6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что системы воздухоснабжения и утилизации энергии выхлопной парогазовой смеси включают турбокомпрессор с обратимым гидронасосом, гидравлически связанным с аккумуляторами высокого и низкого давления и обеспечивающим съем избыточной мощности с вала турбокомпрессора при работающем двигателе или предварительную раскрутку турбокомпрессора при запуске двигателя.
7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что используется обратимый гидронасос регулируемой или нерегулируемой производительности с управлением по сигналу от центробежного регулятора.
8. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что система воздухоснабжения включает продувочный компрессор объемного типа с приводом от вала гидромотора-расходомера рабочей жидкости, а система утилизации энергии выхлопной парогазовой смеси содержит свободную турбину с гидронасосом.
9. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что механизм синхронизации движения поршней выполнен в виде уравновешенной реечно-шестеренчатой передачи.
10. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что система питания жидким топливом включает топливную форсунку и диафрагменный насос, одна из полостей которого содержит топливо и сообщена с форсункой, а другая сообщена с аккумулятором низкого или высокого давления посредством регулятора подачи топлива с приводом от механизма синхронизации.
11. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что механизм включения и регулирования мощности двигателя снабжен системой автоматической ликвидации аварийных или нерасчетных режимов работы двигателя и выполнен с использованием вращающегося золотника с приводом от гидромотора-расходомера рабочей жидкости, цилиндрических золотников с гидроприводом, дросселя, обратного клапана и гидравлического мини-аккумулятора пружинно-поршневого типа, работающего в импульсном режиме.
12. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что система подачи воды выполнена идентичной системе питания жидким топливом и включает диафрагменный насос с приводом от аккумулятора низкого или высокого давления, регулятор подачи воды, выполненный в виде единого блока с регулятором подачи жидкого топлива, емкость для воды, форсунки и трубопроводы с обратным клапаном.
13. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что система выхлопа включает конденсатор пара, влагоотделитель и насос для возврата воды в емкость.
14. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что рабочий цилиндр и поршни выполнены с использованием керамики для нагреваемых поверхностей.
РИСУНКИ
