силовая установка с изолированной камерой

Формула изобретения

1. Силовая установка, содержащая двигатель внутреннего сгорания с системами обеспечения работы, распределения жидкости, отличающаяся тем, что в корпусе двигателя внутреннего сгорания содержится, по крайней мере, одна изолированная камера, внутри которой протекают рабочие такты, состоящая из соединенных в виде гофра (сильфона) упругих дисков, способная изменять объем, воздействующая на преобразователь движения посредством гидравлической и/или механической связи.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что рабочий шток изолированной камеры оборудован впускным каналом и клапаном.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что регулирование скорости изменения объема изолированной камеры осуществляется путем регулирования тока жидкости (охлаждающей или рабочей) посредством управляемых дросселей и/или клапанов.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что преобразователь движения оборудован ходовым винтом двойной нарезки противоположного направления, нарезанным на наружных или внутренних силовых элементах, соединенных плавными переходными витками в верхней и нижней частях, соответствующих крайним положениям хода силового штока.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что шаги винтовых ходовых нарезок - восходящей и/или нисходящей - различны.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что шаги винтовых ходовых нарезок изменяются по высоте.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателе- и машиностроению и может быть использовано в судостроении для привода инструмента с гидравлическим приводом и в качестве насоса, механический преобразователь движения может быть использован в авто-, мотостроении, в переносных инструментах.

Идея использования подпоршневого пространства двигателя внутреннего сгорания постоянно привлекает авторов. Имеются разработки для нагнетания воздуха из подпоршневого пространства в цилиндр двигателя (патент СССР 550128, F 02 В 71/00, бюл. 9, 05.03.77 г.), или для накачки ресиверов с дальнейшим использованием сжатого воздуха (патент RU 2059087, 6 F 02 В 63/06, бюл. 12, 27.04.96 г. ). Известен свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания (патент RU 2018004, 5 F 02 В 71/04), подпоршневые пространства которого заполнены жидкостью как в сообщающихся сосудах, перемещающейся движением поршней, и при этом колеблющийся уровень жидкости производит работу.

В качестве прототипа выбран двигатель внутреннего сгорания с гидравлической передачей (а.с. 672362 от 05.07.79 г.), в котором жидкость вытесняется из подпоршневых полостей цилиндров и, циркулируя по замкнутой магистрали, оснащенной гидроаккумуляторами, воздействует на преобразователь механической энергии. Этот двигатель будет обладать рядом недостатков, основными из которых являются:

- вероятность прорыва выхлопных газов в гидросистему (что создаст воздушные подушки и приостановит работу гидросистемы) или жидкости в цилиндр (что неминуемо приведет к гидроудару с разрушением конструкции при достижении поршнем верхней мертвой точки);

- постоянный смыв смазки рабочей жидкостью со стенок цилиндров;

- вероятность попадания рабочей жидкости в систему смазки и наоборот;

- нагрев рабочей жидкости и др.

Цель изобретения заключается в разработке конструкции силовой установки с изолированной камерой.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в отсутствии поршня и цилиндра, а значит отсутствии сил трения, прорыва газов, необходимости смазки, в более полном использовании энергии расширяющихся газов, в возможности регулирования скорости расширения изолированной камеры.

Указанная цель достигается тем, что силовая установка содержит двигатель внутреннего сгорания с системами обеспечения работы, управления, распределения жидкости, в корпусе (блоке) двигателя внутреннего сгорания, заполненном рабочей (или охлаждающей) жидкостью, содержится, по крайней мере, одна изолированная камера, состоящая из соединенных в виде гофра (сильфона) упругих дисков, способная изменять объем, воздействующая на преобразователь движения посредством гидравлической или механической связи, изолированная камера оборудована рабочим штоком с впускным каналом и клапаном, регулирование скорости изменения объема изолированной камеры осуществляется путем регулирования тока рабочей (или охлаждающей) жидкости посредством управляемых дросселей и (или) клапанов, стабилизация изолированной упругой камеры от осевого отклонения достигается посредством обручей, расположенных на наружном соединении пар упругих дисков, соединенных с втулками, скользящими по направляющим штокам, механический преобразователь движения содержит элемент, по крайней мере, с одним ползуном в виде штифта, шарика, "лодочки", скользящим, по крайней мере, по одной наружной или внутренней (при полом штоке) бесконечной винтовой ходовой нарезке силового штока, включающей участки восходящей и нисходящей нарезки, соединенные переходными витками в крайних положениях хода силового штока, соответствующих положениям мертвых точек, при этом шаги винтовых ходовых нарезок восходящей и нисходящей могут быть различными, также их шаг может изменяться по высоте силового штока, при этом один из элементов (ползун или силовой шток) совершает возвратно-поступательные движения при отсутствии возможности вращаться.

На фиг.1 изображена принципиальная гидравлическая схема силовой установки с изолированной камерой с гидравлическим преобразователем движения.

На фиг. 2 изображена силовая установка с механическим винтовым преобразователем движения.

Силовая установка с гидравлическим преобразователем движения состоит из изолированной камеры 7 (фиг. 1), состоящей из соединенных в виде гофры (сильфона) упругих дисков, закрытых днищем 8, герметичного корпуса 5, содержащего головку 4, в которой оборудованы системы обеспечения работы двигателя - каналы для подвода рабочей смеси (воздуха), отвода выхлопных газов, оборудованных электроуправляемыми впускными 1 и выпускными 3 клапанами, свечой зажигания 2 (форсункой). Корпус 5 соединен гидравлическими магистралями напорной (высокого давления) 12, питающей 18, рабочей (низкого давления) 27 и сливной 22, которые содержат клапаны 9, 31, управляемые дроссели 17, 20, теплообменник 16, гидроаккумуляторы высокого 10 и низкого 29 давления, датчики давления 11, 28, предохранительные клапаны 15, 24, гидрораспределители 13, 21, 25, 26, 30, подпиточный насос 19.

Силовая установка с механическим преобразователем движения состоит из изолированной камеры 7 (фиг. 2), состоящей из соединенных в виде гофры (сильфона) упругих дисков, закрытых днищем 8, наружные кромки которых удерживаются обручами 37, соединенные спицами 34 с втулками 35, скользящими по направляющим штангам 36, герметичного корпуса 5, содержащего головку 4, в которой оборудованы каналы для отвода выхлопных газов, оборудованных электроуправляемым выпускным 33 клапаном, выпускного канала 32, приводов клапанов 3 и 1, свечой зажигания 2 (или форсункой 62) (возможно оборудование впускного канала для подвода рабочей смеси или воздуха). Герметичный корпус 5 отделен от картера 42 переборкой 58 с отверстием для рабочего штока 41. Днище 8 соединено с рабочим штоком 41 (вместо штока может быть толкатель), который может быть оборудован каналом для подачи воздуха (рабочей смеси), закрывающийся впускным клапаном 39. Силового шток 55 преобразователь движения, соединенный с рабочим штоком 41, оборудован бесконечным ходовым винтом двойной нарезки противоположного направления с плавными переходными витками 49, 50 от восходящей 52 нарезки к нисходящей 53. Рабочий шток 41 удерживается от проворота посредством стабилизирующих штанг 36, которые проходят через соединенное с рабочим штоком 41 днище 8. На полый силовой вал 51, оборудованный шлицами для присоединения к трансмиссии, надет маховик 48, через который проходят штифты 47 с ползунами в виде "лодочки" 54. Рабочий шток оборудован воздушным поршнем 43, отверстиями 57. Воздушный фильтр 45 оборудован впускными клапанами 44. На маховике 48 установлена воздушная крыльчатка 46. В корпусе 42 оборудованы воздушные отверстия 40. Герметичный корпус 5 оборудован каналами 12, 22, 26, которые содержат теплообменник 16, клапаны 9, 61, дроссели 17, 20, 60, гидромотор 14, запорный кран 59, бак 23.

Двигатель внутреннего сгорания силовой установки работает как обычный двигатель внутреннего сгорания по двухтактному (или четырехтактному) рабочему циклу, все такты которых происходят в изолированной камере 7. Сжатие изолированной камеры 7 осуществляется посредством давления жидкости 6, поступающей в герметичный корпус из низконапорного гидроаккумулятора 29 или преобразователя движения, воздействующего через рабочий шток 41 на изолированную камеру 7. Расширение изолированной камеры 7 происходит в такте рабочего хода. Запуск двигателя внутреннего сгорания силовой установки производится вращением силового вала 51 при помощи стартера (с механическим преобразователем движения) или откачки жидкости 6 насосом 19 из герметичного корпуса 5, при этом распределитель 25 становится в положение "а", а распределитель 26 в положение "в" при помощи блока управления (не показан). После откачки жидкости из объема герметичного корпуса 5 образовавшийся вакуум растянет изолированную камеру 7 и она втянет в себя рабочую смесь. Далее блок управления переключает распределители 26 в положение "б" и 30 в положение, запирающее магистраль 27, тем самым давая возможность подпиточному насосу 19 создать давление в гидроаккумуляторе 29, наполнение которого определяет датчик давления 28, после сигнала которого блок управления снова меняет положение распределителей 26 на положение "а", 25 на положение "б" и 30 на открывание магистрали 27, при этом давление жидкости из гидроаккумулятора 29, поступая в герметичный корпус 5, сжимает заполненную рабочей смесью изолированную камеру 7, а искра от свечи зажигания 2 воспламеняет рабочую смесь - происходит рабочий такт, после которого жидкость может пойти только в магистраль 12 (т. к. клапаны 9 и 31 определяют направление движения) и, попадая в гидроаккумулятор высокого давления 10, создает в нем высокое давление за несколько рабочих циклов. Сжатие изолированной камеры 7 осуществляется давлением из гидроаккумулятора 29 после выполнения такта рабочего хода. Так будет продолжаться до достижения заданного давления, которое определяет датчик давления 11, а блок управления при этом запирает при помощи распределителя 30 магистраль 27, а затем дросселем 17 магистраль 12 после рабочего такта, тем самым изолированная камера остается в растянутом состоянии готовая начать работать при падении давления в магистрали 12 и открывании дросселя 17, который еще и регулирует скорость истечения жидкости из герметичного корпуса 5, тем самым регулируется скорость расширения изолированной камеры 7. Распределитель 13 меняет направление вращения гидромотора 14 (положение "б"), запирает магистрали 12 и 18 или соединяет их, запирает или освобождает вращение гидромотора 14. Распределитель 21 при снижении заданного давления в магистрали 27 поднимается вверх под действием пружины и тем самым позволяет поддерживать необходимое давление в гидроаккумуляторе 29. Дроссель 20 регулирует скорость вращения гидромотора 14. Предохранительные клапаны 15 и 24 при достижении критического давления сбрасывают лишнюю жидкость в бак 23. Теплообменник 16 охлаждает жидкость после выхода из герметичного корпуса 5. Для стабилизации в вертикальном положении изолированной камеры в процессе ее расширения при наличии механического преобразователя движения предусмотрены направляющие штанги 36 (фиг.2), по которым скользят втулки 35 обручей 37, установленных на наружном соединении пар упругих дисков 38 (при необходимости, обручи каждой пары упругих дисков 38 могут взаимодействовать только со своими направляющими штангами 36). В такте сжатия клапан 9 запирается, уменьшающийся объем изолированной камеры 7 в герметичном корпусе 5 восполняется всасыванием жидкости 6 из бака 23 по магистрали 26 через клапан 61, при этом скорость поступления жидкости, а значит и скорость протекания последующего такта, также можно регулировать посредством дросселя 60. Нагревшаяся жидкость в такте рабочего хода после контакта с раскаленными стенками изолированной камеры 7 из герметичного корпуса 5 попадает в теплообменник 16 для охлаждения, а затем сливается в бак 23, либо непосредственно по магистрали 22, либо совершив работу посредством гидромотора 14 (при этом магистраль 22 закрывается посредством крана 59), а для выравнивания скачков давления жидкости в магистрали 12 предусмотрен гидроаккумулятор 10, скорость вращения гидромотора 14 регулируется дросселем 20. Выхлопные газы отводятся через выпускной коллектор 32 в головке 4 герметичного корпуса 5, свежий заряд воздуха попадает в изолированную камеру 7 по воздушному каналу в рабочем штоке 41, закрываемым впускным клапаном 39, через отверстия 57. При движении воздушного поршня 43 вверх воздух в подпоршневое пространство попадает через воздушный фильтр 45 и клапаны 44, возможно создать подпор воздуха при помощи крыльчатки 46, надетой на вращающиеся части преобразователя движения. Надпоршневое пространство картера 42 сообщается с атмосферой посредством отверстий 40. При опускании рабочего штока 41 происходит наддув воздуха в изолированную камеру 7 посредством воздушного поршня 43, который сжимает воздух в подпоршневом пространстве картера 42 при опускании рабочего штока 41, а при открывании впускного клапана 39 воздух проникает в изолированную камеру 7. Воспламенение рабочей смеси в изолированной камере 7 (фиг. 1) происходит посредством свечи зажигания 2 или самовоспламенением, если позволяет температура сжатия. Привод впускного 39 и выпускного 33 клапанов и форсунки 62 может быть осуществлен посредством либо электромагнитов 3, 1, либо при помощи давления жидкости 6, которое образуется в такте рабочего хода и может быть накоплено в гидроаккумуляторе 10.

Винтовой преобразователь движения работает следующим образом. Давление расширяющихся газов в замкнутом пространстве изолированной камеры 7 заставит переместиться рабочий шток 41 вниз, а вместе с ним и силовой шток 55 с бесконечной ходовой винтовой нарезкой в виде восходящей и нисходящей нарезок, соединенных в крайних положениях переходным витком, к нижней мертвой точке, при этом зубья 47 вынуждены будут скользить по восходящей винтовой ходовой нарезке 53, что приведет к вращению силового вала 51. В месте верхнего плавного переходного витка 49 зубья 47 перейдут на нисходящую нарезку 52, а продолжающееся вращение силового вала 51 под действием силы инерции вращающегося маховика 48 поднимет силовой шток 55 с рабочим штоком 41 вверх, что приведет к совершению очередного такта в изолированной камере 7. В верхней мертвой точке произойдет аналогичный переход зубьев 47 на нарезку противоположного направления по нижнему плавному переходному витку 50, тем самым появится возможность для совершения очередного такта и работа двигателя будет продолжена.

На зубья 47 надеты ползуны 54 в виде "лодочки", свободно вращающиеся на них для предотвращения заклинивания зубьев 47 в местах пересечения нарезок противоположного направления. Ползуны могут иметь вид штифта, шарика и т.п.

Для уменьшения сил трения при поднятии силового штока 55 посредством инерции маховика 48 шаг нисходящей нарезки может быть изменен в меньшую сторону. Шаг нарезки на силовом штоке 55 может также изменяться по высоте с целью достижения постоянства вращения силового вала 51 адекватно изменяющемуся давлению газов в изолированной камере 7 при ее расширении. Преобразователь движения можно подвергнуть конструктивному изменению, в частности нисходящую и восходящую нарезки нарезать на внутренней поверхности полого силового вала 51, при этом совершать возвратно-поступательные движения будет невращающийся толкатель, содержащий скользящие зубья, входящие в пазы нарезки на силовом валу (не показано).

Силовая установка в представленном варианте исполнения будет низкоскоростной, следовательно, силы инерции будут небольшими. В многокамерном варианте жидкость 6, вытесняемая из герметичного корпуса 5, будет во время совершения работы сжимать жидкость в изолированной камере другой установки, тем самым обеспечивая принудительное возвратно-поступательное движение рабочего штока 41. Преобразователь движения можно удалить на расстояние посредством толкателя.

Предлагаемая конструкция позволит существенно упростить силовую установку и винтовой преобразователь движения и позволит отказаться от смазки, которая в традиционных двигателях внутреннего сгорания тратилась на смазку стенок цилиндра, использовать силовую установку в качестве насоса для перекачки жидкостей, отказаться от коробки передач, регулируя обороты посредством дросселирования магистралей истекающей и (или) входящей жидкости, более полно использовать энергию расширяющихся газов, упростить конструкцию силовой установки.

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