ОДНОТАКТНЫЙ РЕКУПЕРАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
SINGLE-CYCLE RECOVERY ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, позволяет создать комбинированные (рекуперационные) энергетические установки и может быть применено в автомобилестроении, в гражданском, сельскохозяйственном, военном, спортивном, в водном и мототранспорте, винтомоторной авиации, для привода ручного инструмента, в промышленности и энергетике.
Понятие «тактность» определяет количество процессов термодинамического цикла, обеспечивающихся движением поршня в интервале между мертвыми точками, а под словом «тактный» - количество таких перемещений за период выполнения одним зарядом рабочего тела полного термодинамического цикла. Но т.к. подавляющее большинство преобразователей движения двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС) основаны на кривошипно-шатунном механизме (далее - КШМ), который позволяет производить, как правило, четное количество тактов для осуществления термодинамического цикла, поэтому в подавляющем большинстве случаев двигатели делятся на «двухтактные» или «четырехтактные», хотя все без исключения двигатели могут быть классифицированы как «пятитактные», даже и названные одно-, двух- или четырехтактными, т.к. в открытом термодинамическом цикле двигателя внутреннего сгорания воспроизводятся пять процессов этого цикла, которые требуют времени на их осуществление - это: 1) впуск, 2) сжатие, 3) сгорание, 4) рабочий ход, 5) выпуск. Эти такты является необходимым и достаточным условием для работоспособности любого теплового двигателя. Однако отдельного такта «сгорания» КШМ обеспечить своей кинематикой не может, т.к. это не движение, а выстой. Такты «выпуск» и «впуск» характеризуют собой процесс охлаждения рабочего тела и являются «балластными», но они занимают отдельные такты в четырехтактных и существенное время-сечение в двухтактных двигателях. В обычном ДВС с КШМ часть тактов совмещены и имеют наложение один на другой, например, в четырехтактном двигателе в конце такта сжатия уже начинается сгорание, которое продолжается и после прохождения поршнем верхней мертвой точки (далее - ВМТ) в такте рабочего хода. В двухтактном двигателе такт сжатия совмещен с тактом впуска и тактом сгорания, а такт рабочего хода совмещен с тактом сгорания и с выпуском. Т.е. идет наслоение тактов одного на другой, при этом наслоенные такты по отдельности теряют свою эффективность и от этого снижается мощность и ухудшаются характеристики всего процесса. Эффективность работы ДВС как тепловой машины, в основном, определяется степенью совершенства термодинамических процессов и достаточно большие резервы ДВС находятся именно в термодинамической части. Но обеспечивает чередование и полноту протекания тактов механическая часть, которая позволяет адаптировать работу ДВС в соответствии с требованиями термодинамического цикла, улучшить преобразование и вывод кинетической энергии. Поэтому актуальным является поиск способа или механизма, который бы реализовал на практике полноценный пятитактный цикл.
Известна поршневая машина (патент RU 31404 U1, опубл. 10.08.2003 Бюл. №22), в которой рабочая камера и поршень в поперечном сечении имеют прямоугольную форму с закругленными углами, а на боковых поверхностях поршня выполнены прорези, в которые установлены уплотнения с поджимающими пружинами. Цель замены цилиндра на рабочую камеру с прямоугольным поперечным сечением только экономическая, т.к. автор считает, что кузнечно-прессовая технология изготовления снизит себестоимость рабочей камеры.
Эта машина в представленном виде может использоваться как пневмодвигатель или насос, но не как двигатель внутреннего сгорания, потому что элементы, присущие ДВС, не представлены. Уплотнительные пластины строго подогнаны к размерам рабочей камеры и не допускают бокового износа или температурного изменения размеров, т.к. в этом случае уплотнительная пластина отойдет от стенки рабочей камеры и появится щель, что приведет к декомпрессии.
Известен воздушный двигатель фирмы МДИ (http://www.mdi.lu/moteurs.php), который выполнен по П-образной схеме и содержит два цилиндра - малый нагнетающий и большой - рабочий. Принцип работы этого двигателя таков: поршень большого цилиндра поднимется в ВМТ и останавливается там в выстое, а малый поршень засасывает воздух и сжимает его в малом цилиндре до уровня давления в 20 бар и вталкивает его в сферическую камеру. При этом воздух разогревается до +400°C. В эту же камеру под давлением подается холодный сжатый воздух из баллонов, где он перемешивается с горячим воздухом, при этом происходит теплообмен, и весь воздух в надпоршневых объемах нагревается и расширяется, давление резко возрастает. Для обеспечения лучшего перемешивания, которое требует определенного времени, поршень большого цилиндра останавливается на время в ВМТ (такт смешивания рабочего тела), выстой обеспечивает специальная проскальзывающая муфта, установленная на кривошипе коленчатого вала в системе с составным шатуном. После выстоя поршень большого цилиндра резко с ускорением срывается вниз («догоняет» убежавший коленчатый вал) и передает рабочее усилие на коленчатый вал, при равномерном вращении выходного вала. Такты этого цикла такие: 1) сжатие (сжимаемый воздух нагревается до 400°C); 2) подача холодного воздуха и смешивание с горячим (осуществляются за счет выстоя в ВМТ); 3) рабочий ход; 4) выпуск; 5) впуск. При резком движении рабочего поршня вниз происходит понижение температуры почти до 0°C, что сильно охлаждает стенки цилиндра и снижает эффект дальнейшей работы расширения, поэтому стенки цилиндра приходится подогревать. В двигателе внутренняя кинематика совмещает такты впуска с тактом сжатия, а такт рабочего хода с тактом выпуска, это совмещение тактов требует удлиненного цилиндра для обеспечения времени-сечения производства «балластных» тактов впуска и выпуска. Недостаток этого решения очевиден - неоправданная сложность, большой вес, большие габариты двигателя, неудачная конструкция проскальзывающей муфты, значительно увеличивающей скорость движения поршня. К тому же преобразователь движения в виде КШМ имеет низкий эффективный коэффициент полезного действия (далее КПД).
В качестве прототипа по количеству тактов рабочего цикла и возможности использования в качестве воздушного гибридного двигателя выбран двигатель фирмы Скудери (www.scuderigroup.com). Рабочий цикл его основан на технологии разделенного цикла и зажигания после прохождения поршнями верхней мертвой точки. Принципиально двигатель Скудери состоит из двух параллельных П-образно расположенных и соединенных каналом цилиндров. В одном из них происходит впуск и сжатие рабочей смеси, в другом - рабочий ход и выпуск отработанных газов. Смешивание и сжигание рабочей смеси происходит в тот момент, когда оба поршня находятся в районе верхней мертвой точки (ВМТ). В концепции Скудери полный цикл происходит за один оборот вала. Кроме топливной экономичности и экологической чистоты мотор Скудери развивает гораздо больший крутящий момент, чем обычные ДВС.
На самом деле двухцилиндровая П-образная секция двигателя Скудери работает по пятитактному рабочему циклу, т.к. в каждом цилиндре секции поршень за цикл совершает два такта, но система из двух соединенных каналом цилиндров и последовательно движущихся поршней может создать такт «псевдовыстоя» в ВМТ, т.к. выстой одного поршня при помощи КШМ сделать нельзя. Псевдовыстой осуществляется следующим образом: 1) первый поршень немного не доходит до ВМТ, второй поршень находится в ВМТ, 2) затем первый поршень подходит к ВМТ, второй поршень опускается чуть ниже ВМТ, при этом в объеме двух камер сгорания П-образно соединенных цилиндров и соединяющего их канала на какое-то непродолжительное время образуется постоянный объем, за время которого происходит лучшее перемешивание газов и более полное сгорание рабочей смеси под большим давлением в условно постоянном объеме, что очень хорошо сказывается на показателях двигателя. К тому же такая конструкция обеспечивает хороший газообмен. Двигатель может работать в рекуперационном воздушном режиме, т.е. при торможении накапливать воздух в ресивер, а затем использовать его в качестве наддува или в качестве рабочего тела при работе двигателя в качестве пневмодвигателя.
Данная конструкция как двигатель внутреннего сгорания идентична П-образному двухпоршневому двигателю Цоллера (1930 г.), который активно использовался на спортивной и военной технике тех времен. Новым в двигателе Скудери является рекуперация и наддув от системы рекуперации, т.к. низкая степень сжатия из-за больших объемов камер сгорания и перепускного канала делает П-образный двигатель практически бесполезным без организации наддува. Чтобы обеспечить выстой поршня в ВМТ, двигатель неоправданно усложнен - установлены сдублированные «лишние» элементы - цилиндр и поршень с шатуном, удлинен коленчатый вал, усложнена механическая газораспределительная система - все это значительно удорожает его, увеличивает весогабаритные показатели, ухудшает балансировку, повышает трение в цилиндропоршневой группе, к этому также добавляется недостаточный эффективный КПД КШМ. Одна секция из двух цилиндров и поршней не может одновременно накачивать воздух в ресивер и работать как ДВС, не предусмотрена работа в качестве воздушного двигателя. Процесс сгорания в этом двигателе и его несбалансированная конструкция будет вызывать вибрацию и повышенную шумность. Для рядовых потребителей такой двигатель окажется слишком дорогим, сложным в эксплуатации и неэкономичным.
Цель изобретения состоит в повышении экономических и экологических характеристик двигателя и удельной мощности.
Сущность изобретения состоит в том, что однотактный рекуперационный двигатель, оборудованный системами обеспечения работы, содержащий, по крайней мере, одну рабочую камеру, закрываемую торцевой крышкой, по крайней мере, с одной стороны, внутри рабочей камеры установлен, по крайней мере, на одном штоке, по крайней мере, один поршень, отличается тем, что двигатель оборудован, по крайней мере, одним бесшатунным преобразователем движения, позволяющим поршню осуществлять, по крайней мере, один выстой, по крайней мере, в одной мертвой точке своего движения, при этом поршень выполнен, по крайней мере, с одной рабочей поверхностью, а рабочие процессы проходят либо не проходят, по крайней мере, в одном рабочем объеме рабочей камеры; в качестве преобразователя движения поршней во вращение силового вала использован зубчато-рамочный механизм; зубчатая рамка преобразователя движения соединена с поршнем посредством жестких и/или гибких тяг и установлена в любом удобном месте корпуса двигателя и/или вне корпуса двигателя; гибкая тяга преобразователя движения оборудована, по крайней мере, одним вертлюгом и/или талрепом; зарядка ресивера воздухом осуществляется каким-либо способом: от работы двигателя в режиме компрессора; при торможении; напрямую от любой компрессорной станции; от источника электропитания, при этом генератор, установленный на двигателе, работает как электромотор, а сам двигатель работает как компрессор; от стационарного или переносного электронасоса (например, для подкачки шин); от стартового пиротехнического или химического патрона, который устанавливается в шлюзовой узел в ресивере или трубопроводе; от воздуха, находящегося в колесах автомобиля; шток поршня выполнен с возможностью изменения длины посредством винтовой пары или муфты; в рабочую камеру подается готовая топливовоздушная смесь; оборудован непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания; поперечное сечение рабочей камеры выполнено в каком-либо виде: круглым, эллипсным, овальным (в форме удлиненного круга), треугольным, или квадратным с прямыми углами, а, по крайней мере, один поршень, установленный внутри рабочей камеры, имеет одинаковое с рабочей камерой поперечное сечение; штоковая рабочая поверхность поршня оборудована трубой; управление обеспечивающими газораспределение клапанами - электрическое, механическое, гидравлическое, пневматическое или в комбинации способов; движение двух поршней в рабочей камере осуществлено либо в противофазе, либо последовательно пошагово один за другим; для зажигания рабочей смеси применено искровое, и/или каталитическое, и/или калильное зажигание; смазка стенок рабочей камеры осуществляется лубрикатором, установленным внутри поршня; подвод масла к лубрикатору осуществляется посредством впрыска масла через отверстия, оборудованные в стенке (стенках) рабочей камеры в моменты выстоя (выстоев) поршня; в качестве рекуперационной установки использован генератор, электродвигатель и блок аккумуляторных батарей, и/или конденсаторная батарея, и/или маховик; поршень оборудован системой изменения расстояния между рабочими поверхностями поршня: либо в виде винтовых пар, либо в виде рычажного или рычажно-винтового механизма, либо в виде гидравлического или электрического привода, либо в комбинации видов; в ходе такта сжатия в рабочую камеру дозировано впрыскивается топливо; генератор работает в качестве электродвигателя и выполняет задачи: для ускорения оборотов вращения двигателя; стартера; привода для закачки ресивера; передвижения транспортного средства; поршень с одной или обеих сторон рабочих поверхностей оборудован турбулизатором, выполненным в виде крыльчатки, установленной на штоке преобразователя движения; торцевые крышки рабочей камеры изготовлены из термостойкой керамики и не оборудованы системой охлаждения; конструкция двигателя и/или системы обеспечения работы обеспечивают возможность выбора какого-либо режима работы: осуществление однотактного рабочего цикла в надпоршневом и/или подпоршневом рабочих объемах рабочей камеры; термодинамический цикл с одно-, двух- или другой тактностью силовой установки, состоящей из одной или более рабочих камер; наддув в рабочие объемы, где производится термодинамический цикл из одного рабочего объема рабочей камеры в другой и/или наддув из ресивера; работа двигателя в качестве компрессора от привода штатного электрогенератора, работающего в режиме электродвигателя; работа части двигателя в качестве компрессора при работающей другой части по термодинамическому циклу; работа в качестве воздушного двигателя; работа в качестве пневмодвигателя; отключение неработающих рабочих объемов и/или рабочих камер и их перевод их в пассивный режим функционирования; воздушная система оборудована теплообменником-рекуператором и/или утилизатором.
Технический результат, при реализации изобретения, выражается в том, что применение в Однотактном рекуперационном двигателе (далее - ОРД) новых узлов и схем работы приведет к качественному улучшению параметров:
1. Применение бесшатунного преобразователя движения в виде зубчато-рамочного механизма (ЗРМ) обеспечит:
- более равномерный съем крутящего момента на всех этапах движения поршня,
- большую скорость и равномерность движения поршня,
- большое количество компоновочных схем,
- полное сгорание топлива и лучший газообмен за счет выстоев,
- изменение степени сжатия,
- установку двух поршней в одной рабочей камере с различным законом их перемещения,
- непосредственный впрыск топлива,
- калильное и/или каталитическое зажигание,
- меньшие энергетические затраты на такт сжатия,
- отсутствие энергетических затрат на газообмен,
- применение гибких тяг для передачи механической энергии,
- использование турбулизатора для лучшего перемешивания рабочей смеси,
- воздействие ударных нагрузок при воспламенении топлива в периоды выстоев демпфируется зубчатой рамкой.
2. Применение электроуправляемых клапанов газораспределения обеспечит,
- выбор тактности,
- выбор режима работы,
- автоматизацию процессов работы ОРД (например, трогания с места, движения в пробках, торможения, реверс).
3. Рабочая камера квадратного поперечного сечения обеспечит:
- более полное использование внутреннего пространства конструкции,
- размещение любого количества и в любой последовательности клапанов газораспределения на ее плоских гранях,
- удержание поршня от проворота при изменении степени сжатия,
- упрощение изготовления.
4. Применение системы рекуперации обеспечит:
- накопление энергии торможения и ее использование для движения,
- передвижение автомобиля на запасенной энергии,
- удаление из состава силовой установки стартера, системы турбонаддува, коробки передач,
- экологическую чистоту,
- высокую экономичность.
5. Применение универсального генератора-электродвигателя обеспечит:
- закачку воздуха в ресиверы на пунктах стоянки, оборудованных розеткой,
- прибавку мощности двигателю при трогании или движении,
- заводку двигателя,
- зарядку аккумуляторов и/или конденсаторов системы электрической рекуперации при торможении или стоянке,
- раскрутку маховика.
6. Применение лубрикатора обеспечит:
- раздельную смазку стенок рабочей камеры,
- уменьшение количества масла, уходящего с выхлопными газами.
7. Применение керамических торцевых крышек рабочей камеры обеспечит:
- упрощение системы охлаждения,
- лучшее сгорание топлива,
- удешевление изготовления торцевых крышек.
8. Калильная система зажигания обеспечит:
- более качественное воспламенение рабочей смеси,
- возможность изготовления миниатюрных двигателей, работающих на бензине,
- упрощение системы зажигания.
Принцип работы и устройство ОРД поясняется чертежами.
На фиг.1 показано принципиальное устройство ОРД.
На фиг.2 показана торцевая крышка рабочей камеры.
На фиг.3 показаны способы соединения механизма преобразования с поршнем.
Повышение эффективности работы силовых агрегатов автомобилей возможно только при сочетании различных циклов, поэтому данный технический результат достигается тем, что на низких нагрузочных режимах изменяется тактность, уменьшается рабочий объем силовой установки или осуществляется переход на воздушный привод, а для накопления энергии сжатого воздуха используется механическая энергия, вырабатываемая Однотактным рекуперационным двигателем (ОРД) или колесами при торможении или при работе силовой установки на низких нагрузочных режимах. Таким образом, устраняется основной недостаток известных способов обеспечения функций автомобиля - сжигание топлива в силовой установке в тех случаях, когда этого можно не делать, что приводит к уменьшению расхода топлива. По сравнению с прототипом при той же мощности ОРД будет обладать значительно меньшими размерами, меньшими механическими потерями, более высоким эффективным КПД преобразователя движения, возможностью изменения степени сжатия и рабочего объема, работой в нескольких режимах, увеличенной скоростью поршня, меньшим весом преобразователя движения, электроуправляемыми фазами газораспределения. Двигатель может быть легко приспособлен к накоплению энергии сжатого воздуха, к пуску воздухом и работе на воздухе. Накопитель энергии сжатого воздуха (ресивер) подключен к рабочим камерам с помощью управляемых клапанов, это позволит обеспечить высокую управляемость и применить в системе управления современную электронную технику, что обеспечит высокую комфортабельность управления и безопасность движения. Форма рабочих камер ОРД предпочтительна квадратного поперечного сечения, т.к. однотактный цикл предполагает высокую термическую нагруженность рабочей камеры и торцевых крышек, а у параллепипеда больше поверхностная площадь в сравнении с цилиндром, это будет способствовать лучшему охлаждению, к тому же сгорание топлива происходит полностью при выстое и для дальнейшего рабочего расширения рабочего тела не имеет значения форма рабочей камеры. Плоские грани рабочей камеры обеспечивают лучшую компрессию при расположении на них клапанов газораспределения, а прямоугольное поперечное сечение рабочей камеры предотвращает проворот поршня при изменении степени сжатия, а также позволяют более эффективно использовать внутренний объем ОРД.
Предлагаемый Однотактный рекуперационный двигатель с поршнями двойного действия, в смысле принятой терминологии, имеет открытый однотактный рабочий цикл, который подразумевает, что за один ход поршня между мертвыми точками происходит полный рабочий цикл (все пять тактов термодинамического процесса теплового двигателя) с передачей крутящего момента на силовой вал посредством зубчато-рамочного механизма (ЗРМ) (см. «Зубчато-рамочный преобразователь движения» - патент №2266446, F16H 19/04, опубл. 20.12.2005, Бюл. №35), который позволяет осуществлять выстой в мертвых точках.
Для надпоршневого рабочего объема рабочей камеры выстой в ВМТ позволяет применить непосредственный впрыск топлива, при этом горение топливного заряда происходит в условиях постоянного объема, т.е. в сжатом виде, в замкнутом пространстве и достаточное время, в результате этого создаются почти идеальные условия горения заряда и накапливания внутренней энергии газа, к тому же выстой для ЗРМ энергетически беззатратен. Выстой в НМТ обеспечивает условия для качественного проведения газообмена. В подпоршневом рабочем объеме такты проходят в противофазе. Это позволит кардинально улучшить экологичность и экономичность двигателя, повысить мощность.
Принципиально ОРД содержит (фиг.1): рабочую камеру 8, оборудованную форсунками 7, 29 для подачи масла к лубрикатору, отверстиями для впускного клапана 9 и выпускного клапана 30, которые соединены с коллекторами 13 и 36. Клапаны управляются электромагнитами 10 и 31 соответственно. Рабочая камера 8 закрыта с торцов крышками 1, 14, которые оборудованы свечами накаливания (и/или зажигания) 2, 27 (фиг.2), форсунками для впрыска топлива 5, воздушными форсунками двойного действия 15, позволяющими как подавать воздух из ресивера в рабочую камеру (для работы от воздуха или при наддуве), так и из рабочей камеры в ресивер (для закачки ресивера), а также при необходимости отверстием 26 для штока поршня. В случае изготовления многокамерной конструкции ОРД торцевая крышка может быть выполнена одна на все камеры и будет называться верхняя или нижняя головка блока рабочих камер.
Внутри рабочей камеры 8 (фиг.1) установлен поршень с рабочими поверхностями в надпоршневом рабочем объеме 4 и в подпоршневом 32. Поршень может быть составным или монолитным. Внутри поршня установлен лубрикатор 34 и уплотнительные прокладки 33. Лубрикатор установлен таким образом, что при изменении толщины поршня он всегда находится в средней части поршня, а в мертвых точках всегда располагается напротив форсунок 7, 29 для питания его маслом, предназначенным для смазки стенок рабочей камеры. Рабочие поверхности 4, 32 содержат резьбовые втулки 3, 35 с резьбой разного направления и взаимодействуют с винтовой втулкой 6, внутренняя и наружная резьбы которой имеют разное направления для взаимодействия с втулками 3, 35. Винтовая втулка 6 посредством штока 28 и подшипникового узла 16 соединена с зубчатой рамкой 25. Шток 28 оборудован внутри шлицами 11, взаимодействующими со шлицами вращательного штока 24. Подшипниковый узел 16 с винтовой муфтой изменения длины штока предназначен обеспечить свободное вращение рамки от штока 28 и изменение длины штока при регулировании степени сжатия с целью обеспечения в разных рабочих объемах рабочей камеры разной степени сжатия. Вращательный шток 24 посажен на червячное колесо 23, которое вращается червяком 24 от мотора системы управления степенью сжатия (не показан). Зубчатая рамка 25 взаимодействует с шестерней 22, посаженной на силовой вал 17. Для удержания ее в постоянном зацеплении предусмотрен удерживающий ролик 19, посаженный на водило 20. Зубчатая рамка 25 установлена в картере 18. Верхняя и/или нижняя рабочие поверхности поршня 4, 32, имеющие кинематическую связь с преобразователем движения, оборудованы трубой 12, 42, герметично соединенной с рабочей поверхностью поршня, внутри которой проходит тяга 48, 49 или шток 28 преобразователя движения.
Зубчато-рамочный механизм (ЗРМ) может устанавливаться в ОРД различными способами. На фиг.3а показана установка ЗРМ в шарнирах 38, оборудованных на концах консолей 37, 41, которые установлены на штоках 12, 42 поршня. Посредством изменения длины штоков 39, 40 (по принципу талрепа) меняется расстояние между рабочими поверхностями 4, 32 составного поршня и тем самым можно менять степень сжатия.
Аналогичная схема приведена на фиг.3б, но тут установлено две зубчатые рамки 25 и 46, тем самым можно менять степень сжатия отдельно в над- и/или подпоршневом рабочем объеме рабочей камеры 8.
На фиг.3в ОРД оборудован зубчатыми рейками 43 и 45, взаимодействующих через шестерню 44, что позволяет полностью сбалансировать силы инерции от перемещающихся масс. Аналогично схеме фиг.3а можно изменять степень сжатия.
На фиг.3г в рабочей камере 8 установлено два поршня, которые можно заставить перемещаться ступенчато последовательно один за другим или навстречу один другому, что позволит иметь три такта рабочий ход за один оборот силового вала. Изменение степени сжатия осуществляется аналогично схеме фиг.3а, 3б.
На фиг.3д жесткие тяги заменены на гибкие связи 48, 49, которыми могут быть трос, цепь, ремень и т.п., которые проходят через ролики 47 и соединены с рамкой 25. Т.к. поршень оборудован трубами 12, 42, то пропуск через них гибкой связи не нарушит герметичности в торцевых крышках. Для изменения степени сжатия гибкая связь оборудуется устройством типа талрепа либо вертлюгом для привода винтового механизма устройства раздвижки поршней. При этом зубчатую рамку 25 можно вынести на большое расстояние от самого двигателя, например, при оборудовании судов силовой установкой такой схемы, двигатель которой можно установить в средней части в районе мидель-шпангоута, а механизм преобразования установить в корме, что позволит произвести лучшую балансировку судна, устранить дорогой и тяжелый вал и валопровод.
На фиг.3е ОРД оборудован двумя зубчатыми рамками 25, 51, которые взаимодействуют с шестернями 50, 53, посаженными на длинный силовой вал 52.
На фиг.3ж аналогичная схема, что и 3е, за тем исключением, что вместо длинного вала применен короткий силовой вал 17.
На фиг.3з аналогичная схема, что и 3ж, за тем исключением, что силовые валы 57, 58 зубчатых рамок 25, 50 соединены цепной передачей 55 через звездочки 54, 56.
Это все показывает, что имеется большое количество схем соединения преобразователя с двигателем, что открывает больше возможностей для решения задач с использованием ОРД.
Технические особенности конструкции рабочей камеры 8 ОРД в том, что она может быть выполнена в поперечном сечении в виде круга (цилиндр), эллипса, овала (предпочтительно, в форме удлиненного круга), многоугольника или прямоугольника (предпочтительно, в форме квадрата) с прямыми углами, аналогичного поперечного сечения, по крайней мере, одного поршня одинарного или двойного действия (с одной или двумя рабочими поверхностями 4, 32), установленного на одном или двух штоках 12, 42, обеспечивающих передачу усилий на зубчато-рамочный преобразователь движения.
Система газообмена содержит впускной 13 и выпускной 36 коллекторы, подсоединенные к отверстиям, оборудованным в плоских гранях рабочей камеры 8. Т.к. газообмен происходит продолжительное время при выстое поршня, то впускные и выпускные отверстия можно устанавливать в гранях рабочей камеры в любом месте, например в средине или на расстояниях от торцевых крышек рабочей камеры, немного большем, чем максимальная толщина поршня, находящегося в мертвых точках своего движения, в любой последовательности и в любом количестве. Отверстия рабочей камеры закрываются клапанами 9, 30, управляемыми каким-либо приводным механизмом 10, 31 - механическим, гидравлическим, электрическим и/или механизмом с комбинированным приводом.
В составе силовой установки при оборудовании несколькими рабочими камерами ОРД может работать по нескольким режимам одновременно или в отдельности, возможность выбора которого обеспечивают системы обеспечения работы. Основные режимы работы ОРД:
- осуществление однотактного рабочего цикла в надпоршневом и/или подпоршневом рабочих объемах рабочей камеры;
- цикл с другой тактностью двигателя внутреннего сгорания в составе силовой установки;
- наддув в рабочие объемы, где производится термодинамический цикл, из одного рабочего объема рабочей камеры в другой;
- наддув в рабочие объемы, где производится термодинамический цикл, из ресивера;
- работа двигателя в качестве компрессора от привода штатного электрогенератора, работающего в режиме электродвигателя;
- работа части двигателя в качестве компрессора при работающей другой части по термодинамическому циклу;
- работа в качестве воздушного двигателя;
- работа в качестве пневмодвигателя;
- торможение двигателем;
- отключение неработающих рабочих объемов и/или рабочих камер и их перевод в пассивный режим функционирования.
ОРД в составе силовой установки, содержащей несколько рабочих камер, оборудованный управляемыми клапанами, может обеспечить любую тактность и легкий переход в любой режим работы, а также может обеспечить регулирование степени сжатия и рабочего объема.
Для обеспечения работоспособности ОРД он оборудован различными системами и механизмами обеспечения работы, но т.к. они не являются темой изобретения, то детально рассматриваться не будут, если только они напрямую не изменены для обеспечения работы ОРД по новому способу.
Основные системы обеспечения работы ОРД включают в себя:
1) блок управления (работой и переключением на разные режимы работы);
2) систему отвода газов;
3) систему питания топливом и его хранения;
4) систему питания воздухом (очистки, подачи, накопления, наддува и хранения воздуха);
5) систему охлаждения двигателя (воздушную и/или водяную);
6) систему теплообмена и/или температурной подготовки рабочего тела;
7) систему запуска (воздушную, газовую и/или электрическую);
8) систему смазки;
9) электрическую систему с системой зажигания и/или воспламенения;
10) систему газораспределения;
11) механизм (механизмы) преобразования движения;
12) механизм изменения степени сжатия (система раздвижки рабочих поверхностей поршня и/или изменение или сдвиг амплитуды его движения);
13) другие системы и механизмы, влияющие на качество работы ОРД.
Принцип действия ОРД основан на том, что рабочая камера 8 (или цилиндр) ОРД делится поршнем на два рабочих объема - над- и подпоршневой, в каждом рабочем объеме рабочей камеры рабочие циклы проходят в противофазе за один ход поршня, при этом осуществляется полный пятитактный рабочий цикл со следующей последовательностью тактов (движение от НМТ к ВМТ):
1. В надпоршневом объеме - сжатие (движение вверх), смешивание и/или сгорание (выстой в ВМТ), рабочий ход (движение вниз), выпуск и впуск - продувка (выстой в НМТ).
2. В подпоршневом объеме - рабочий ход (движение вверх), продувка (выстой в ВМТ), сжатие (движение вниз), сгорание (выстой в НМТ).
Описание динамики рабочего цикла: во время нахождения поршня в мертвых точках с обеих его сторон происходят соответствующие процессы, например, при нахождении поршня в ВМТ с одной его стороны 4 (в надпоршневом рабочем объеме), обращенной в сторону торцевой крышки 1 рабочей камеры 8 в ВМТ, происходит процесс сгорания топливной смеси в постоянном объеме, а с другой стороны поршня 32 (в подпоршневом рабочем объеме), обращенной в сторону нижней торцевой крышки 14, происходят такты выпуска и впуска, для осуществления прямоточной продувки клапаны могут устанавливаться в любом количестве и в любой последовательности, что обеспечит полный газообмен в этом объеме рабочей камеры, причем наддув может осуществляться как через форсунку 15, так и через впускное отверстие, закрываемое клапаном 9. После окончания выстоя под давлением горячего газа, действующего на сторону поршня 4, обращенную к ВМТ, происходит его резкое движение к противоположной - нижней мертвой точке (НМТ), при этом со стороны поршня 32, обращенной к НМТ, происходит процесс сжатия воздуха и/или топливо-воздушной смеси, продолжающийся до остановки поршня в НМТ. Во время выстоя в такте сгорания происходит непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания через форсунку 5, затем рабочая смесь поджигается свечой 2 и/или 27 и продолжает гореть в постоянном объеме до начала движения поршня к ВМТ и начала следующего такта рабочего хода. Выстоем обеспечивается увеличенное время для осуществления полного сгорания топлива и накопления им энергии. При этом отпадает надобность в настройке и управлении такими параметрами, как опережение зажигания или угол подачи топлива. Система впрыска топлива в рабочую камеру (цилиндр) в ОРД может быть использована для дозированного впрыска небольшого количества топлива в ходе такта сжатия в сжимаемый воздух или рабочую смесь для повышения их температуры, что позволит сэкономить рабочий воздух и уменьшить жесткость рабочего процесса. Далее процессы повторяются в другом рабочем объеме. Выстой для осуществления газообмена (продувки) и сгорания осуществляются энергетически беззатратно. Зубчато-рамочный преобразователь движения (ЗРМ) обеспечивает передачу крутящего момента пропорционально давлению в рабочей камере при постоянном плече, что значительно эффективнее, чем при использовании КШМ, к тому же воздействие ударных нагрузок при воспламенении топлива в периоды выстоев передается на силовой вал (в зависимости от исполнения) либо через шток поршня 28, либо через зубчатую рамку 25, которая в данном случае является своеобразным демпфером.
Зарядка ресиверов воздухом или газами (например, для обеспечения запуска) может осуществляться несколькими способами:
- от работы ОРД в режиме компрессора (подкачки ресивера), при торможении;
- напрямую от компрессорной станции;
- от розетки - при этом генератор, установленный на ОРД, переходит в режим работы электромотора, а сам ОРД - в режим компрессора;
- от переносного электронасоса для подкачки шин;
- газами от стартового пиротехнического или химического патрона, который устанавливается в шлюзовой узел в ресивере или воздушном трубопроводе, что позволит сохранить остаточное давление в системе;
- от воздуха, находящегося в колесах автомобиля.
Т.е. получение давления в ресивере не является проблемой.
Запуск двигателя может быть осуществлен штатным электрогенератором, который при запуске переходит в режим электростартера, при этом мощности генератора должно хватить для заводки, по крайней мере, одной рабочей камеры.
Если в рабочих объемах некоторых рабочих камер ОРД, использующегося как многокамерная силовая установка, допустить пропуск некоторой части рабочих циклов, то можно реализовать любую тактность, которая может изменяться в широких пределах за счет чередования холостых и рабочих циклов. Изменением тактности можно регулировать мощность двигателя. Настройка ОРД на конкретный режим может осуществляться за время одного хода поршня, при этом ОРД может прекратить или возобновить выработку механической энергии в любом режиме на любом этапе или создать крутящий момент с места после остановки. С появившейся возможностью нагружения ОРД с места можно отказаться от коробки передач и сцепления, что позволяет упростить трансмиссию и объединить рабочий процесс с процессом его воздушного запуска и обеспечить появление существенного крутящего момента при трогании автомобиля с места. Кроме того, торможение транспортного средства можно осуществлять (если позволяют условия) не тормозными колодками, а ОРД, причем в двух режимах - «мягком», когда ОРД переходит в режим компрессора в одном или нескольких рабочих камерах, или в «жестком», когда противодавление воздуха или отработанных газов в рабочих объемах тормозит перемещение поршней и работает как газовый демпфер при подъеме и/или опускании поршня.
При снижении нагрузки на ОРД или на режимах работы по термодинамическому циклу с малой нагрузкой происходит смена тактности с однотактного на двухтактный или другой рабочий цикл с отключением впрыска топлива в незадействованные рабочие объемы, либо переводят работу двигателя в пассивный режим функционирования, либо на аккумулированную воздушную массу рабочего тела. Отключенные рабочие камеры могут работать либо как компрессор, закачивая воздух в ресивер, либо осуществлять наддув в работающие рабочие камеры, либо бесполезно перемещаться при закрытых или открытых впускных и выпускных клапанах.
Работа ОРД в режиме воздушного двигателя может осуществляться только на раскрученном двигателе, когда появляется инерция вращения маховика или других элементов конструкции, при этом рабочий цикл его следующий: при нахождении поршня в НМТ во время выстоя происходит наполнение надпоршневого рабочего объема воздухом либо из ресивера, либо из атмосферы, далее при движении поршня вверх под действием сил инерции маховика или под действием других поршней (если ОРД используется как многокамерная силовая установка) происходит быстрое сжатие воздуха, при этом его температура значительно повышается. При достижении поршнем ВМТ происходит выстой, во время которого в камеру сгорания подается холодный воздух из ресивера и происходит их перемешивание и теплообмен, в результате которого давление рабочего воздуха увеличивается. После завершения выстоя газы давят на поршень, заставляя его опускаться вниз и производить работу. При достижении НМТ поршень становится в выстой и за это время происходит выпуск отработанного воздуха и наполнение рабочего объема воздухом с нужной температурой. С другой стороны поршня такты воздушного цикла повторяются в противофазе. Отработанный воздух может иметь разную температуру, т.к. при увеличении скорости опускания поршня его температура понижается, поэтому целесообразно оборудовать двигатель теплообменником для температурной подготовки рабочего воздуха, поступающего в рабочую камеру, причем тепло можно забирать от других систем, которые в процессе работы двигателя нагреваются, например, от системы охлаждения, или подогревать впрыском в такте сжатия дозированного количества топлива. Эффект понижения температуры отработанного воздуха можно использовать в климат-контроле или для охлаждения продуктов при их перевозке. Режим работы ОРД в качестве воздушного двигателя экономичный, позволяет экономно тратить запасенный воздух.
Работа ОРД в качестве воздушного пневмодвигателя применяется для получения крутящего момента с места и может осуществляться с нераскрученного ОРД. Этот режим неэкономичный, расход воздуха большой, используется также при воздушном запуске Двигателя, при перемещениях в пробках на небольшие расстояния, парковках, движении задним ходом и т.п. В этом случае давление воздуха из ресивера просто давит на поршни, заставляя их перемещаться и производить работу. За время выстоя в ВМТ происходит накопление энергии рабочего воздуха, после чего его давление лучше проворачивает силовой вал, а при выстое поршня в НМТ - отработанный воздух лучше удаляется. Далее поднимающийся поршень выдавливает в атмосферу оставшийся в рабочем объеме воздух, чтобы не создавать противодавление. В подпоршневом рабочем объеме процесс повторяется в противофазе.
Работа ОРД при подкачке ресивера осуществляется таким образом. Один из рабочих объемов рабочей камеры, например надпоршневой, работает как ДВС, в этом случае опускающийся поршень в подпоршневом рабочем объеме выполняет функцию компрессора, а перекачиваемый им воздух может быть использован как наддувной для надпоршневого рабочего объема или для заполнения ресивера или как рабочий воздух для привода ОРД. Сжатый воздух из рабочей камеры вытесняется в ресивер через воздушную форсунку двойного действия 5, которая в данном случае работает как перепускной клапан.
Схема ОРД позволяет использовать в рабочей камере два поршня, движущихся в противофазе, либо последовательно пошагово один за другим, тогда в одной рабочей камере будут проходить три однотактных цикла за один оборот силового вала, при этом рабочая камера оборудуется одним или двумя ЗРМ и в зависимости от установленного закона движения поршней устанавливается или не устанавливается смещение зубчатых рамок ЗРМ по углу поворота силового вала.
При многокамерном исполнении конструкции ОРД каждая рабочая камера оборудуется, предпочтительно, по крайней мере, одной зубчатой рамкой ЗРМ с равным количеством зубьев на каждой грани, а угол последовательности совершения тактов смещен на 90° приведенного угла поворота силового вала или на одну грань зубчатой рамки ЗРМ, для перекрытия мертвых точек, по крайней мере, одна зубчатая рамка может быть установлена в промежуточное положение.
Оптимальным способом смазки стенок рабочей камеры является способ смазки их лубрикатором 34, пропитанного маслом и установленного внутри поршня в средней его части, а подпитка лубрикатора маслом осуществляется посредством форсунок 7, 29, оборудованных в стенках рабочей камеры 8 в местах выстоев поршней на уровне расположения лубрикатора, отвод лишнего масла осуществляется самотеком через неплотности и полости в штоке поршня 28, этим же маслом осуществляется смазывание других элементов конструкции, находящихся ниже штока поршня.
ОРД может быть оборудован непосредственным впрыском, при котором топливо впрыскивается в камеру сгорания во время выстоя поршня и при максимальном сжатии воздуха. Это позволит применить в двигателе более простое каталитическое и/или калильное зажигание, представляющее собой, например, простейшую пластину с низковольтным электрическим подогревателем или электронагревательную свечу. Сравнительно большая площадь поверхности калильного и/или каталитического воспламенителя, а также то обстоятельство, что этот воспламенитель находится в гуще заряда топливно-воздушной смеси, которая обволакивает воспламенитель, способствует образованию множества очагов воспламенения смеси, что, в свою очередь, предполагает быстрое и «мягкое» (без детонации) сгорание даже очень бедных смесей и применение низкооктанового бензина при высокой степени сжатия. Это существенно упростит и облегчит конструкцию, повысит надежность, уменьшит стоимость изготовления и облегчит эксплуатацию двигателя. Кроме того, появится возможность создавать двигатели очень малых размеров, например, для авиамоделизма, работающих на бензине.
Т.к. зубчатая рамка 25 в местах выстоев осуществляет поворот, а вместе с ней проворачивается и шток 28, то выпустив шток 28 зубчатой рамки 25 за рабочую поверхность поршня 4 и оборудовав его крыльчаткой, получаем турбулизатор, позволяющий лучше перемешивать рабочую смесь при ее сгорании во время выстоев. Крыльчатку можно также установить в камере сгорания с приводом от движения сжимаемой рабочей смеси или воздуха. В конструкции монолитного поршня шток 28 зубчатой рамки 25 будет проходить поршень насквозь, при этом появляются условия оборудовать крыльчаткой турбулизатора не только надпоршневую рабочую поверхность поршня, но и подпоршневую, для этого крыльчатки турбулизатора крепятся к штоку 28 с обеих сторон поршня, а рабочая поверхность 32 поршня не оборудуется трубой 12.
В качестве рекуперационной установки ОРД также может содержать электрогенератор, электродвигатель и блок аккумуляторных батарей и/или блок конденсаторов и/или маховик.
Из-за высокой термической нагруженности торцевых крышек рабочей камеры и относительной изоляции их от влияния на процесс впуска торцевые крышки рабочих камер можно изготавливать из керамики без оборудования системой охлаждения.
Схема данного двигателя может быть применена на двухтактных двигателях внутреннего сгорания с обычными цилиндрами. В этом случае зубчатая рамка ЗРМ выполняется в виде треугольника и закрепляется одной вершиной на штоке поршня с возможностью качания таким образом, чтобы обеспечить выстой поршня в верхней или нижней мертвых точках. Это дает возможность работать двигателю по трехтактному циклу со следующей последовательностью тактов:
а) при выстое поршня в ВМТ: 1) впуск-сжатие; 2) сгорание; 3) рабочий ход-выпуск;
б) при выстое поршня в НМТ: 1) сжатие - начало сгорания; 2) конец сгорания - рабочий ход; 3) выпуск-впуск.
При этом обычный двухтактный двигатель подвергается минимальной доработке, на нем заменяется только преобразователь движения и шатун заменяется штоком.
Итак, основные отличия ОРД от прототипа заключаются в следующем:
- для осуществления рабочего цикла достаточно одной рабочей камеры вместо двух цилиндров у прототипа;
- в рабочей камере может располагаться один или два поршня, вместо одного в каждом цилиндре у прототипа;
- механизм преобразования выполнен бесшатунным и позволяет осуществлять (или не осуществлять) выстои каждым поршнем как в одной, так и в обеих мертвых точках вместо одного псевдовыстоя в ВМТ, выполненного при помощи кривошипно-шатунного преобразователя движения у прототипа;
- рабочие процессы в рабочей камере проходят как в надпоршневом, так и в подпоршневом рабочем объеме вместо строго надпоршневого рабочего объема у прототипа;
- рабочая камера закрыта с одного или обоих торцов торцевыми крышками вместо одной стороны у прототипа.
Таким образом, предлагаемый ОРД позволяет получить следующие преимущества:
- высочайшую удельную мощность,
- высокую экономичность,
- высокую экологическую чистоту,
- малую шумность,
- удобство эксплуатации,
- автоматизирование процессов работы,
- простоту конструкции.
Изложенная выше конструкция Однотактного рекуперационного двигателя не исчерпывает всех вариантов, а является лишь его иллюстрацией. На практике могут быть использованы и другие варианты без нарушения основной идеи технического решения.