Гидропневмодвигатель внутреннего сгорания
HYDROPNEUMATIC INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к устройствам в области машиностроения. В настоящее время многие технические средства используют только гидравлический и пневматический привод ходовой части, рабочих органов. Для этого нет необходимости в преобразовании возвратно-поступательного движения поршня двигателя внутреннего сгорания во вращательное движение посредством шатунов, коленчатого вала, маховика, чтобы затем вращательное движение преобразовать в энергию рабочей жидкости и газа. Предлагаемый гидропневмодвигатель внутреннего сгорания сразу преобразует возвратно-поступательное движения поршня в энергию рабочей жидкости и газа. Его целесообразно использовать для привода ходовой части, рабочих органов и элементов систем управления различных технических средств.
Известен гидрофицированный двигатель внутреннего сгорания (патент RU №2109968, МПК F02B 75/32, F02B 71/04, опубл. 27.04.1998), включающий кривошипно-шайбовый механизм преобразования движения поршней и механизм регулирования объема жидкости в подпоршневых отсеках. Известен двигатель внутреннего сгорания (патент RU №2035602, МПК F02B 75/18, опубл. 20.05.1995), включающий гидроцилиндр, установленный посередине в блоке цилиндров. В нем имеется поршень, приводимый от поршней двигателя посредством шатунов, коленчатого вала и штанги. Недостатком конструкций является их половинчатое техническое решение, так как в составе устройства остается кривошипный механизм.
Известен двигатель внутреннего сгорания (патент RU №2035602, F02B 75/18, опубл. 20.05.1995), у которого подпоршневые полости цилиндров используются в качестве рабочих полостей гидронасоса, включенного в гидравлическую схему. Известен двухходовой двигатель внутреннего сгорания (патент RU №2095594, F02B 71/04, опубл. 10.11.1997), содержащий три цилиндра с поршнями, связанными общим штоком. При этом средний поршень воздействует на рабочую жидкость, направляя ее на лопатки турбины. Недостатками этих конструкций является отсутствие гидроаккумулятора и автоматической системы управления.
Наиболее близким техническим решением является двигатель внутреннего сгорания с гидравлическим приводом (а.с. SU №1301998 A1 F02B 71/04, опубл. 07.04.1987), содержащий корпус, цилиндры, поршни, разделяющие объемы цилиндров на рабочую камеру и гидравлическую подпоршневую полость, снабженные штоками, гидромоторы и гидроаккумуляторы, бак. Недостатком конструкции является сложность конструкции и отсутствие автоматической системы управления.
Задачей изобретения является создание гидропневмодвигателя внутреннего сгорания, работающего в автоматическом режиме и преобразующего возвратно-поступательное движение поршня в энергию рабочей жидкости и газа.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом гидропневмодвигателе энергия сгораемого топлива преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня, механически связанного с гидропоршнем и, через рабочую жидкость, с поршнем компрессора. Управление включением и выключением гидропневмодвигателя внутреннего сгорания осуществляется в зависимости от давления рабочей жидкости в гидроаккумуляторе.
Предлагается гидропневмодвигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндр, поршень, шток, гидромотор-насос, гидроаккумулятор, бак.
Новые существенные признаки:
- к корпусу снизу присоединена крышка компрессора с выпускным клапаном компрессора и впускным клапаном компрессора;
- к крышке компрессора присоединен входной патрубок с электромагнитным краном воздуха;
- внутри корпуса расположен цилиндр и гильза;
- в корпусе имеются четыре радиальных отверстия;
- напротив двух верхних отверстий в корпусе имеются отверстия в цилиндре;
- напротив двух нижних отверстий в корпусе имеются отверстия в гильзе;
- в корпусе установлен электромагнитный фиксатор;
- к корпусу присоединен кожух;
- между крышкой корпуса и крышкой цилиндра расположена пружина;
- в крышку цилиндра входит клапан впускной с электромагнитом впуска и клапан выпускной с электромагнитом выпуска;
- в цилиндре расположен поршень, соединенный штоком с гидропоршнем, и поршень компрессора с пружиной компрессора;
- кожух соединен трубопроводами с гидромотор-насосом охлаждения, управляемым электромагнитным краном охлаждения;
- гидромотор-генератором управляет электромагнитный кран генератора;
- электромагнитная форсунка соединена трубопроводом с корпусом гидроаккумулятора топлива;
- внутри корпуса гидроаккумулятора топлива расположены поршень гидроаккумулятора топлива и пружина гидроаккумулятора топлива;
- корпус гидроаккумулятора топлива соединен трубопроводами с электромагнитным краном возврата, дросселем и гидромотор-насосом топлива с присоединенным к нему электромагнитным краном топлива;
- гидромотор-насос топлива через электромагнитный клапан расхода трубопроводом сообщается с корпусом гидроаккумулятора;
- корпус гидроаккумулятора через электромагнитный кран сброса давления сообщается трубопроводом с баком;
- на корпусе гидроаккумулятора установлен мотор-редуктор;
- внутри корпуса гидроаккумулятора имеется поршень гидроаккумулятора, пружина гидроаккумулятора и шток-рейка;
- к корпусу присоединен электромагнитный клапан выпуска и электромагнитный клапан подачи;
- на корпусе гидроаккумулятора топлива установлены: датчик температуры топлива, датчик минимального давления топлива, датчик максимального давления топлива;
- к корпусу гидроаккумулятора присоединены: датчик максимального давления, датчик пуска, датчик минимального давления, электромагнитный клапан заполнения, электромагнитный клапан впуска;
- элементы управления гидропневмодвигателем внутреннего сгорания соединены проводами с блоком управления и сигнализации.
Совокупность известных и отличительных существенных признаков заявляемого изобретения не известна из уровня техники и не вытекает из него очевидным образом.
Новый технический результат заключается в том, что использование предлагаемого гидропневмодвигателя внутреннего сгорания позволит уменьшить затраты энергии на привод ходовой части, рабочих органов и элементов систем управления различных технических средств в связи с отсутствием шатунов, коленчатого вала, маховика, и других элементов, предназначенных для получения вращательного движения, а также уменьшить массу двигателя. Уменьшение затрат энергии преимущественно обусловлено экономией топлива, так как:
а) гидропневмодвигатель внутреннего сгорания включается в работу только на период уменьшения давления рабочей жидкости в гидросистеме;
б) гидромотор-насос топлива включается в работу только на период понижения температуры или давления топлива в гидроаккумуляторе топлива;
в) гидромотор-насос охлаждения включается в работу только на период превышения температуры масла-охладителя более установленной;
г) гидромотор-генератор включается в работу только на период подзарядки аккумуляторной батареи;
д) пополнение ресивера сжатым воздухом производится только в период уменьшения его давления менее установленного;
е) сгорание дизельного топлива происходит оптимально.
На фиг. 1 показана схема гидропневмодвигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - схема управления гидропневмодвигателем внутреннего сгорания; на фиг. 3 (а-е) - схема последовательности пуска гидропневмодвигателя внутреннего сгорания; на фиг. 4 (а-г) - схема последовательности работы гидропневмодвигателя внутреннего сгорания.
К корпусу 5 (фиг. 1) снизу присоединена крышка компрессора 4 с выпускным клапаном компрессора 1 и впускным клапаном компрессора 2. К крышке компрессора присоединен входной патрубок 3 с электромагнитным краном воздуха 6 и выходной патрубок 46 с ресивером 47. Внутри корпуса расположен цилиндр 8 и гильза 45. В корпусе имеются четыре радиальных отверстия. Напротив двух верхних отверстий в корпусе имеются отверстия в цилиндре. Напротив двух нижних отверстий в корпусе имеются отверстия в гильзе. В корпусе установлен электромагнитный фиксатор 10. К корпусу присоединен кожух 14. Корпус закрыт крышкой корпуса 20. К ней прикреплена крышка 23 с установленным на ней турбонаддувом 24. Вверху, между крышкой корпуса и крышкой цилиндра 15, расположена пружина 18. К крышке цилиндра прикреплена электромагнитная форсунка 16. В крышку цилиндра входит клапан впускной 17 с электромагнитом впуска 21 и клапан выпускной 19 с электромагнитом выпуска 22. В цилиндре расположен поршень 13, соединенный штоком 12 с гидропоршнем 11, и поршень компрессора 9 с пружиной компрессора 7. Кожух соединен трубопроводами с гидромотор-насосом охлаждения 25, управляемым электромагнитным краном охлаждения 30, и радиатором 26. Для подзарядки аккумуляторной батареи 55 (фиг. 2) служит гидромотор-генератор 28 (фиг. 1), управляемый электромагнитным краном генератора 29. Электромагнитная форсунка соединена трубопроводом с корпусом гидроаккумулятора топлива 36. Внутри корпуса гидроаккумулятора топлива расположены поршень гидроаккумулятора топлива 37 и пружина гидроаккумулятора топлива 38. Корпус гидроаккумулятора топлива соединен трубопроводами с электромагнитным краном возврата 32, дросселем 33 и гидромотор-насосом топлива 34 с присоединенным к нему электромагнитным краном топлива 31. Гидромотор-насос топлива через электромагнитный клапан расхода 40 трубопроводом сообщается с корпусом гидроаккумулятора 41. Гидромотор-насос топлива трубопроводом также сообщается с баком 27. Корпус гидроаккумулятора через электромагнитный кран сброса давления 35 сообщается трубопроводом с баком. На корпусе гидроаккумулятора установлен мотор-редуктор 39. Внутри корпуса гидроаккумулятора имеется поршень гидроаккумулятора 44, пружина гидроаккумулятора 43 и шток-рейка 42.
К корпусу присоединен электромагнитный клапан выпуска 48 (фиг. 2) и электромагнитный клапан подачи 49. К кожуху прикреплен датчик минимальной температуры 50 и датчик максимальной температуры 51 масла-охладителя. На корпусе гидроаккумулятора топлива установлены: датчик температуры топлива 52, датчик минимального давления топлива 53, датчик максимального давления топлива 54. К корпусу гидроаккумулятора присоединены: датчик максимального давления 58, датчик пуска 59, датчик минимального давления 60, электромагнитный клапан заполнения 61, электромагнитный клапан впуска 62. На ресивере установлен датчик минимального давления воздуха 63 и датчик максимального давления воздуха 64. Элементы управления гидропневмодвигателем внутреннего сгорания соединены проводами с блоком управления и сигнализации 56. Имеется кнопка «Пуск» 57.
При нажатии на кнопку «Пуск» от аккумуляторной батареи поступает напряжение в блок управления и сигнализации. Он открывает электромагнитный клапан подачи, электромагнитный клапан заполнения (фиг. 3, а) и одновременно включает электродвигатель мотор-редуктора, который поднимает шток-рейку с поршнем гидроаккумулятора (I), сжимая пружину гидроаккумулятора. При этом рабочая жидкость из бака (фиг. 1) через электромагнитный клапан подачи, полость П (фиг. 3, в), электромагнитный клапан заполнения (фиг. 3, а) самотеком и от воздействия разрежения пополнит полость Г в корпусе гидроаккумулятора до срабатывания датчика пуска. С этого момента начинается подготовка топлива к сжиганию (фиг. 3, б). Блок управления и сигнализации открывает электромагнитный кран топлива и электромагнитный клапан расхода. Рабочая жидкость под давлением пружины гидроаккумулятора на поршень гидроаккумулятора поступает из полости Г корпуса гидроаккумулятора в гидромотор-насос топлива. Гидромотор-насос топлива нагнетает топливо в полость Т гидроаккумулятора топлива (II) до срабатывания датчика максимального давления топлива. Одновременно блок управления и сигнализации открывает электромагнитный кран возврата (III), пропуская топливо через дроссель обратно в гидромотор-насос топлива. В ходе циркуляции через дроссель топливо нагревается до оптимальной температуры. Когда сработает датчик температуры топлива, оно готово к использованию. Блок управления и сигнализации открывает электромагнитный клапан впуска и, посредством электромагнитного фиксатора (фиг. 3, в), освобождает цилиндр. Рабочая жидкость из полости Г в корпусе гидроаккумулятора поступает в полость Ц гильзы. Воздействуя на нижнюю торцевую поверхность цилиндра рабочая жидкость поднимает его вверх, сжимая пружину (IV). Одновременно блок управления и сигнализации посредством электромагнита впуска открывает клапан впускной. Камера сгорания К заполняется воздухом (V). В момент достижения цилиндром верхнего положения блок управления и сигнализации посредством электромагнита впуска закрывает клапан впускной и открывает электромагнитный клапан выпуска (фиг. 3, г). Пружина возвращает цилиндр в нижнее положение (VI). При этом рабочая жидкость через электромагнитный клапан выпуска вытесняется из полости Ц в бак (фиг. 1). Электромагнитный фиксатор (фиг. 3, г) стопорит цилиндр в нижнем положении. При движении цилиндра вниз в камере сгорания К воздух сжимается. Когда цилиндр окажется в нижнем положении, электромагнитная форсунка открывает подачу топлива в камеру сгорания (VII). Топливо воспламеняется (фиг. 3, д), перемещая поршень с гидропоршнем вниз (VIII). Гидропоршень, воздействуя на рабочую жидкость в полости П, перемещает вниз поршень компрессора (IX), сжимая пружину компрессора и вытесняя воздух из полости В через и выпускной клапан компрессора в ресивер (X). Блок управления и сигнализации посредством электромагнита выпуска открывает клапан выпускной (фиг. 3, е) (XI). Пружина компрессора воздействует на поршень компрессора, он, через рабочую жидкость в полости П - на гидропоршень, гидропоршень посредством штока - на поршень (XII). Поршень выталкивает отработавшие газы (XIII) в турбокомпрессор. Одновременно через открытый электромагнитный кран воздуха, входной патрубок и впускной клапан компрессора воздух заполняет полость В (XIV). После того, как поршень окажется вверху, блок управления и сигнализации посредством электромагнита выпуска закрывает клапан выпускной. Этим заканчивается пусковой цикл гидропневмодвигателя внутреннего сгорания и начинаются рабочие циклы.
Такт впуска рабочего цикла гидропневмодвигателя внутреннего сгорания (фиг. 4, а) отличается от такта впуска пускового цикла тем, что открыт электромагнитный клапан подачи (XV). В начале перемещения цилиндра вверх поршень с гидропоршнем за счет сил трения, инерции и разрежения в камере сгорания К, также увлекается вверх. Рабочая жидкость из бака (фиг. 1) самотеком и за счет разрежения, создаваемого гидропоршнем, через электромагнитный клапан подачи (фиг. 4, а) пополняет полость П. Когда давление воздуха, нагнетаемого турбокомпрессором в камеру сгорания К, увеличится, поршень с гидропоршнем от воздействия силы тяжести опустятся вниз, частично сжимая пружину компрессора. Такт сжатия рабочего цикла гидропневмодвигателя внутреннего сгорания (фиг. 4, б) существенно не отличается от такта сжатия пускового цикла. Такт расширения рабочего цикла гидропневмодвигателя внутреннего сгорания (фиг. 4, в) отличается от такта расширения пускового цикла тем, что открыт электромагнитный клапан заполнения. Рабочую жидкость из полости П гидропоршень через электромагнитный клапан заполнения выдавливает в полость Г корпуса гидропневмоаккумулятора (XVI). Рабочая жидкость, воздействуя на поршень гидроаккумулятора, сжимает пружину гидроаккумулятора. При этом воздух, выходящий из полости В, совместно с пружиной компрессора смягчают воздействие гидропоршня на рабочую жидкость, не допуская гидроудара. В начале движения поршня с гидропоршнем вверх, во время такта выпуска (фиг. 4, г), рабочая жидкость из полости П от воздействия поршня компрессора продолжит поступать в полость Г корпуса гидропневмоаккумулятора (XVII) до выравнивания давления в полостях П и Г. В этот момент закрывается электромагнитный клапан заполнения. Нескольких циклов работы гидропневмодвигателя внутреннего сгорания достаточно для начала использования сжатого воздуха и рабочей жидкости (XVIII) для привода рабочих органов технического средства, на котором установлен гидропневмодвигатель внутреннего сгорания.
Если, ввиду перерыва в работе, давление рабочей жидкости в полости Г корпуса гидропневмоаккумулятора (фиг. 1, 2) увеличится до срабатывания датчика максимального давления, блок управления и сигнализации посредством электромагнитной форсунки перекроет подачу топлива в камеру сгорания К. Одновременно он закроет электромагнитный кран топлива и электромагнитный клапан расхода. Гидромотор-насос топлива прекратит подачу топлива в гидроаккумулятор топлива. Если работа возобновится и давления рабочей жидкости в полости Г корпуса гидропневмоаккумулятора уменьшится до срабатывания датчика минимального давления, блок управления и сигнализации запустит в работу гидропневмодвигатель внутреннего сгорания. Во время перерыва в работе гидромотор-насос топлива автоматически включается в работу на период понижения температуры или давления топлива в гидроаккумуляторе топлива. Датчик минимальной температуры и датчик максимальной температуры совместно с блоком управления и сигнализации поддерживают оптимальную температуру масла-охладителя в полости О (фиг. 4) путем включения и отключения гидромотор-насоса охлаждения (фиг. 1, 2), управляемого электромагнитным краном охлаждения. Смазку элементов гидропневмодвигателя внутреннего сгорания осуществляют маслоохладитель и рабочая жидкость (фиг. 1). Блок управления и сигнализации, открывая и закрывая электромагнитный кран генератора (фиг. 1, 2) управляет гидромотор-генератором для осуществления подзарядки аккумуляторной батареи. Если давление воздуха в ресивере повысилось до срабатывания датчика максимального давления воздуха, блок управления и сигнализации закрывает электромагнитным краном воздуха доступ воздуха в полость В (фиг. 4, б). Если давление воздуха в ресивере (фиг. 1, 2) понизилось до срабатывания датчика минимального давления воздуха, блок управления и сигнализации открывает электромагнитный кран воздуха. Если длительное время нет расхода рабочей жидкости, блок управления и сигнализации открывает электромагнитный кран топлива и электромагнитный кран сброса давления. Топливо вытекает через электромагнитный кран топлива из полости T (фиг. 3, б). Рабочая жидкость через электромагнитный кран сброса (фиг. 1, 2) вытекает в бак. Давление топлива в корпусе гидроаккумулятора топлива и корпусе гидроаккумулятора уменьшается. Когда сработает датчик минимального давления топлива и датчик минимального давления рабочей жидкости в полости Г, блок управления и сигнализации автоматически отключается.