ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО ВЗРЫВА ГРЕБЕНЮКА
GREBENYUCK'S INTERNAL EXPLOSION ENGINE

Изобретение относится 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.Н.Богданов и др., Автомобильные двигатели, М., «Машиностроение», 1987, стр.70-71, 298).
Недостатками 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 ухудшении экологии окружающей среды из-за дополнительных выбросов отработавших газов во время остановки.
2
ДВС высокооборотистые, мощные, они выбрасывают большие объемы выхлопных газов с высокой частотой выброса, содержащих вредные вещества, такие как CO, CH, NO, 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 возврате ее при последующем разгоне. Для этого установка снабжается 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» №5, 2006 г., стр.222). 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, что усложняет трансмиссию привода автомобиля, т.к. сохраняется коробка скоростей, кардан, задний мост ведущих колес.
Ближайшим техническим решением по составу элементов, их кинематической связи между ними и назначению является четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, принятый за прототип (см. патент РФ №2171901, F02B 21/00, F02B 25/08, 28.02.2000 г.).
К недостаткам двигателя можно отнести сложную систему преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, включающего качающиеся качалки, шарнирно соединенные с каждым из поршней и имеющие шарнирное соединение с эксцентриковыми опорами, шатунное соединение качалок с коленчатым валом. Ступенчатое выполнение одного из поршней усложняет конструкцию цилиндра, создавая концентраторы напряжений в местах перехода диаметров как в цилиндре, так и на поршне. К недостатку можно отнести высокую частоту тактов срабатывания, включающих воспламенение смеси, затем продувку, что не позволяет тщательно очищать выхлопные газы до предельно допустимых концентраций, а также низкий коэффициент полезного действия. В двигателе невозможно достигнуть рекуперации энергии торможения; наличие холостых ходов, особенно в «городском режиме» работы транспорта, увеличивает расход топлива и выброс выхлопных газов в атмосферу; не может работать на накопление потенциальной энергии двигателя с последующим ее использованием.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания двигателя с повышенным коэффициентом полезного действия (КПД) за счет уменьшения количества тактов, полного сгорания топлива в результате взрыва смеси в замкнутом пространстве, превращая почти все тепло в работу; резкого уменьшения частоты срабатывания (взрыва), что позволяет более тщательно очищать выхлопные газы до пределов допустимой концентрации (ПДК); исключить холостую работу двигателя, за счет чего уменьшить загрязнение атмосферы и расход топлива; упростить конструкцию двигателя исключением кривошипно-шатунного механизма и как следствие износа его вращающихся частей.
Поставленная задача решается двигателем внутреннего взрыва, который содержит рабочий цилиндр с размещенными в нем, как минимум, двумя противоположно движущимися поршнями, камеру взрыва, образованную днищами поршней, смеситель сжатого воздуха и топлива, связанный с приводом распределительного вала с кулачками, пневмоаккумулятор для подачи воздуха в камеру взрыва и электрическую свечу зажигания.
Заявленный двигатель снабжен накопителем энергии, гидроприводом, пневмонасосом двойного действия, золотниками с буртиками и емкостью с маслом.
Поршни в двигателе смонтированы свободно плавающими и подпружинены, в них выполнены каналы, связывающие камеру взрыва с запоршневой полостью, соосные центральные отверстия с кольцевой выборкой в торце со стороны камеры взрыва, цилиндр ограничен торцевыми стенками с каналами и упорами, в центральных отверстиях поршней размещены золотники с буртиками, диаметры которых равны диаметрам кольцевых выборок, накопитель энергии связан кинематически с рабочим цилиндром, упомянутыми гидроприводом и емкостью с маслом, пневмонасос двойного действия имеет полости, разделенные подпружиненным поршнем, одна полость которого связана с камерой взрыва и атмосферой, а другая - с атмосферой и пневмоаккумулятором для создания в нем высокого давления, при этом накопитель энергии выполнен в виде, по меньшей мере, двух гидропневмоаккумуляторов, поочередно связывающихся с внутренней полостью рабочего цилиндра, с емкостью с маслом и гидроприводом, а через выхлопные трубы - с атмосферой.
С целю дополнительной очистки выхлопных газов в магистралях, соединяющих гидропневмоаккумуляторы с внутренней полостью цилиндра и гидроприводом, а также в выхлопных трубах смонтированы очистные фильтры.
Кроме того, в качестве топлива используются альтернативные виды топлива - взрывчатые вещества, например бризантные.
Двигатель внутреннего взрыва содержит рабочий цилиндр 1, с размещенными в нем плавающими поршнями 2 и 3, смеситель 4 и клапан 5, связанные с камерой взрыва 6. Парное количество поршней применяется для уравновешивания энергии движущихся поршней, могут быть и 3, 5 - «звездочкой» и т.д. По обеим сторонам цилиндра 1 имеются упоры 7 и 8 с каналами 9 и 10 для выхода отработавшей смеси через обратные клапаны 11 и 12, камера взрыва 6 взаимодействует с электрической свечой зажигания 13. Управление процессами подачи сжатого воздуха и топлива, образующих рабочую смесь, осуществляется от кулачков 14 и 15, установленных на распределительном валу 16, управляемых приводом 17. Кулачки 14 и 15 взаимодействуют с клапанами 18 и 19, подпружиненных упругими элементами. Камера взрыва 6 связана через клапан 5, канал 20 с пневмонасосом 21, который трубопроводом 22 связан с пневмоаккумулятором 23. Цилиндр 1 посредством трубопроводов 24 и 25 и распределитель 28 соединяется поочередно соответственно с гидропневмоаккумуляторами (ГПА) 29 и 30, которые связаны с емкостью 31 с маслом и гидроприводом 32. В камеру взрыва 6 подается через канал 33 от пневмоаккумулятора 23 по трубопроводу 34 сжатый воздух, а по каналу 35 подается топливо, например газ. Пневмонасос 21 включает плавающий поршень 36, подпружиненный упругим элементом, например винтовой пружиной 37. В качестве топлива используются альтернативные виды топлива - взрывчатые вещества, например бризантные.
Плавающие поршни 2 и 3 подпружинены упругими элементами, например цилиндрическими винтовыми пружинами 38 и 39, в поршнях 2 и 3 размещены золотники-клапаны 40 и 41 с ограничительными буртиками 42 и 43 и имеются каналы 44 и 45, связывающие камеру взрыва 6 через запоршневую полость, каналы 9 и 10, трубопроводы 24 и 25 с гидропневмоаккумуляторами 29 и 30. Пневмоаккумулятор 23 через трубопровод 22, обратный клапан 46 связан с пневмонасосом 21. Полость 47 пневмонасоса 21 через клапан 48, управляемый кулачком 49, связывается с атмосферой. Гидропневмоаккумуляторы 29 и 30 приводят во вращение гидропривод 32 привода колес транспортного средства. В гидропневмоаккумуляторы 29 и 30 по трубопроводам 50 и 51 через обратные клапаны 52 и 53 поступает из емкости 31 масло, а через электроклапаны 54 и 55 и выхлопные трубы 56 и 57 с очистными фильтрами осуществляется выпуск очищенный отработавших газов, поступающих из цилиндра 1, электродатчики 58 и 59 давления масла связаны с электросхемой компьютера управления работой двигателя, через электроклапан 60 и трубопровод 61 емкость 31 связана с трубопроводами 24 и 25 сжатого воздуха для создания под давления масла при подаче его в гидропневмоаккумуляторы 29 и 30. Для создания под давления подачи масла служит труба 62. Через трубопроводы 63 и 64, клапаны 65 и 66 осуществляется слив отработанного масла из гидропривода 32 в бак с маслом 31, гидропневмоаккумуляторы 29 и 30 по трубопроводам 50 и 51 и односторонние клапаны 52 и 53. Вращение гидродвигателя 32 осуществляется подачей под давлением масла по трубопроводам 67 и 68 через фильтры 69 и 70 и далее через клапаны 71 и 72. Съем мощности с гидропривода 32 осуществляется через его ведущий вал 73 на привод колес транспортного средства (на чертеже не показан). В днище поршней 2 и 3 выполнены выборки 74 и 75, размер которых равен размеру буртиков 42 и 43 золотников 40 и 41, выполняющих роль клапанов.
Все системы управления потоками воздуха, газа, продуктов взрыва смеси и масла осуществляются и контролируются бортовым компьютером транспортного средства.
Двигатель работает следующим образом. В исходном положении под действием пружин 38 и 39 поршни 2 и 3 сдвинуты к центру, и золотники 40 и 41 соприкасаются торцами, смещая их выборки до упора в поршни, оставляя между поршнями пространство в виде начального объема камеры взрыва 6. Управляемый от бортового компьютера транспортного средства включается электроклапан 35 заправки топлива в камеру взрыва 6, затем привод 17 приводит во вращение распределительный вал 16 с кулачками 14 и 15. Кулачек 14 воздействует на поршень 18 смесителя 4, соединяет каналом 33 камеру взрыва 6 с пневмоаккумулятором 23. Воздух и топливо поступают в камеру взрыва 6, заполняя ее, создавая в ней заданное избыточное давление, удерживаемое пружинами 38 и 39. Дальнейшим поворотом распределительного вала 16 клапан 18 закрывается, и срабатывает система зажигания, от свечи 13 подается искра в камеру взрыва 6, происходит взрыв топливно-воздушной смеси, создавая высокое давление газа, в результате в двигателе происходят следующие процессы. Управляемый от бортового компьютера распределитель 28 соединяет трубопроводы 24 и 25 с одним из ГПА, например 30, который не заряжен избыточным давлением газа. Расширившаяся газообразная смесь под высоким давлением раздвигает поршни 2 и 3, смещая их до упоров 7 и 8 золотниками 40 и 41 и смесь из-под поршней через обратные клапаны 11 и 12, трубопроводов 24 и 25, распределитель 28 устремляется в ГПА 30. Этот процесс происходит до того, как золотники 40 и 41 достигнут упоров 7 и 8, открывая каналы 44 поршней 2 и 3, поршни останавливаются, и закрываются клапаны 11 и 12, так как после смещения золотников 40 и 41 избыточное давление газов в камере взрыва выравнивается с избыточным давлением газа в подпоршневой полости и под действием пружин 38 и 39, поршни 2 и 3 возвращаются в исходное положение, перемещая золотники 40 и 41 в гнезда поршней, а отработавшие газы перемещаются в подпоршневые полости поршней 2 и 3, осуществив «продувку» цилиндра 1, как бы «заглатывая» в подпоршневое пространство отработавшие газы, подготавливая двигатель к очередному циклу.
Далее, выдавливая масло под давлением, которое устремляется по трубопроводу 68 с фильтром 70 через электроклапан 72 высокого давления в гидропривод 32, приводя во вращение ведущий вал 73. Выдавливаемое из гидродвигателя масло по трубопроводу 63 перегоняется в емкость 31. Одновременно, когда давление в камере взрыва падает, распределительный вал 16 кулачком 15 воздействует на поршень 19, клапан 5 и камера взрыва 6 соединяется каналом 20 с полостью 47 пневмонасоса 21, перемещая поршень 36, перегоняет атмосферный воздух по трубопроводу 22 в пневмоаккумулятор 23, заряжая его. Далее под управлением компьютера происходит процесс наполнения ГПА 29 порцией масла, при этом клапаны 11 и 12 закрываются, а выдавливаемый из него остаток газа через очистной фильтр выхлопной трубы 56 уходит в атмосферу, через электромагнитный клапан 54.
По команде бортового компьютера открывается клапан 60 высокого давления газа, и по трубопроводу 61 избыточное давление поступает в емкость с маслом 31, и масло под давлением поступает по каналу 62, каналу 50, открывая обратный электроклапан 52 ГПА 29, и масло в определенном количестве поступает в ГПА 29, после чего электроклапан 60 закрывается. При этом ГПА 29 готов к очередной заправке сжатым воздухом от камеры взрыва 6. Одновременно возвратом посредством пружины 37 поршня 36 из пневмонасоса 21 через канал 20 и клапан 48 происходит выдавливание в атмосферу остатка отработавшего газа. Остатки горячей смеси из камеры взрыва 6 перетекают под поршень, а пружины 38 и 39 возвращают поршни 2 и 3 в исходное положение до смыкания золотников 40 и 41. Следует очередной цикл работы двигателя через гидропневмоаккумулятор 29 переключением потока распределителем 28.
В случае полной заправки ГПА сжатым воздухом от двигателя, по команде компьютера отключается питание электрической свечи зажигания 13, двигатель останавливается до определенного расходования накопленной энергии.
Частота вращения привода распредвала 17 регулируется по команде компьютера, в зависимости от интенсивности расхода энергии, запасенной в ГПА.
В целом заявленный двигатель внутреннего взрыва содержит двигатель-компрессор, включающий рабочий цилиндр с поршнями; накопитель энергии, включающий гидропневмоаккумуляторы с емкостью для масла и с изменяемой частотой вращения гидропривод с выходным валом, кинематически связанные между собой. Такая композиция позволила создать двигатель с переменной (изменяемой) мощностью, то есть при работе в пределах «городской» черты он работает с минимальной мощностью, за городом - с максимальной, так как мощность - это работа в единицу времени, а изменяя частоту вращения распредвала, создаем изменяемую мощность двигателя.
Наличие ГПА обеспечивает очистку отработавших газов до пределов предельно допустимой концентрации, использование остатка тепла газовой смеси для нагрева масла и привода пневмонасоса двойного действия повышает КПД двигателя.