многоцелевой двигатель внутреннего сгорания

Формула изобретения

1. Многоцелевой двигатель внутреннего сгорания, включающий энергетическую подсистему, состоящий из ресивера, аккумулятора топлива высокого давления с насосом подачи топлива через обратный клапан, цилиндр с поршнями, шатунами и коленвалом, оснащенным тахометром; а также из подсистемы шестеренчатой передачи со спидометром и управляющей подсистемой с задатчиком скорости управления вращения ведомого вала, энергетическая подсистема выполнена в виде преобразователя механической энергии в пневматическую, т.е. в энергию сжатого газа, и наоборот, цилиндры которой оснащены теплоизолированными форкамерами, а рабочий объем цилиндров кратен 2, снабжена ресивером сжатого газа, к форкамерам подключен аккумулятор для хранения топлива под высоким давлением через дистанционно управляемый клапан подачи топлива; к коленвалу подключен датчик сигнала определения его углового положения; подсистема передачи представлена многоступенчатым редуктором, состоящим из ступеней с постоянным передаточным соотношением, и от каждой ступени выведены ведомые валы, а ведущий вал многоступенчатого редуктора выведен от одной из его ступеней и подключен к коленвалу энергетической подсистемы, а также промежуточными дистанционно управляемыми, переключающимися редукторами и многовходовым дифференциальным редуктором, у которого один из валов является ведомым валом подсистемы передачи и подключен к потребителю энергии, а остальные валы через промежуточные дистанционно управляемые редукторы соединены с ведомыми валами многоступенчатого редуктора, число которых точно равно числу ведущих валов дифференциального редуктора, при этом промежуточный дистанционно управляемый переключающийся редуктор обеспечивает режимы передачи от ведомого вала многоступенчатого редуктора к ведущему валу дифференциального редуктора, а подсистема управления обеспечивает передачу энергии потребителю в режиме двигателя внутреннего сгорания за счет энергии сгорания топливной смеси в цилиндре, передачу энергии потребителю в режиме пневмодвигателя за счет энергии сжатого газа, хранящегося в ресивере, и накопления пневмоэнергии за счет энергии, передаваемой от потребителя в компрессорном режиме, отличающийся тем, что многоцелевой двигатель внутреннего сгорания представлен секциями, где каждая секция представлена группами, состоящими из цилиндров, поршней, шатунов колен общего для всей группы коленвала, причем колена сдвинуты относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной оси вращения коленвала, на угол 360°, разделенный на численные значения группы; ресивер представлен состоящим из ступеней различного давления газа, которые соединены между собой через дистанционно управляемые клапаны, подключенные к устройству управления, и каждая ступень подключена ко всем цилиндрам двумя газопроводами с двумя последовательно соединенными клапанами, один газопровод оснащен клапаном односторонней проводимости газа от цилиндра к ступени ресивера и дистанционно управляемым клапаном, подключенным к устройству управления, и второй газопровод оснащен клапаном односторонней проводимости газа от ступени ресивера к цилиндру и дистанционно управляемым клапаном, подключенным к устройству управления, а к ступени ресивера максимального давления цилиндры подключены вторым газопроводом через клапан односторонней проводимости газа от ступени ресивера к цилиндрам и дистанционно управляемый клапан, который выполнен в виде пропорционального клапана, регулирующего сечение газопровода, и данная ступень оснащена клапаном максимального давления газа в этой ступени; цилиндры соединены с атмосферой двумя газопроводами, одним газопроводом через клапан односторонней проводимости газа из атмосферы в цилиндр и вторым газопроводом через дистанционно управляемый клапан, подключенный к устройству управления; форкамеры оснащены свечами зажигания, подключенными к устройству управления, а коленвалы каждой секции соединены с датчиками их углового положения дистанционного сигнала и объединены между собой механической передачей, от которой выведены два вала, один из которых подключен к многоступенчатому редуктору.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что к выходу многоступенчатого редуктора подсоединен источник ветровой энергии, а к свободному валу механической передачи подсоединен генератор переменного тока, к выходу которого подключено коммутирующее устройство первичных обмоток многообмоточного согласующегося трансформатора, число витков у входных и выходных обмоток которого выполнено кратным наперед заданному числу, выход согласующего трансформатора через второе коммутирующее устройство подключен к потребителю энергии, к которому подключен датчик синхронизации, соединенный с устройством управления; выход генератора переменного тока соединен со вторым коммутирующим устройством.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, является многоцелевым двигателем внутреннего сгорания, предназначенным, прежде всего, для применения в ветроэнергетических установках.

Известный двухтактный двигатель [1, стр.18] представлен: продувочным насосом, ресивером, поршнем, цилиндром с выпускными клапанами, форсункой и впускными окнами. В течение первого такта осуществляются сгорание топлива, расширение рабочих газов, продувка и наполнение цилиндра свежим воздухом.

Второй этап - это движение поршня от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). Здесь осуществляются удаление выпускных газов, продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом, закрытие впускных окон и выпускных клапанов, сжатие воздуха и за 10°-30° от ВМТ происходит подача топлива в цилиндр через форсунку. Недостатками двухтактного двигателя являются:

- утечка подаваемого свежего воздуха,

- относительно низкая экономичность,

- потеря части объема цилиндра,

- ухудшение очистки цилиндра от отработанных газов,

- потеря энергии при продувке,

- повышенная температура поршня, цилиндра и клапанов,

- отсутствие реверсивного вращения двигателя.

Наиболее близким, принятым за прототип, является “Энергетическая техническая система Гребенникова” [2].

Данная система обеспечивает следующие принципиально различные режимы ее работы:

- передача энергии потребителю за счет сгорания топлива, аналогично двигателям внутреннего сгорания;

- передача энергии потребителю за счет энергии сжатого газа в ресивере;

- передача энергии от потребителя к ресиверу, это компрессорный режим работы технической системы.

Данная техническая система представлена следующими подсистемами:

- энергетической подсистемой;

- подсистемой согласующей передачи;

- подсистемой управления..

Приведем принципиальные недостатки, присущие энергетической подсистеме:

1. Снижение КПД системы за счет забора тепла газами из форкамеры при удалении газов из цилиндров и при работе системы в компрессорном режиме.

2. Жесткость привязки габаритных конструктивных размеров энергетической подсистемы к ее коленвалу.

3. Сложность управления клапанами, управляющими газовыми потоками, в виду малости времени их переключения.

4. Необходимость применения маховика.

5. Невозможность обеспечения плавности регулировки вращения коленвала при малых угловых скоростях его вращения без нагрузки.

6. Неэффективность поджига рабочей смеси в форкамерно-цилиндровом объеме.

7. Низкая энергоемкость ресивера.

8. Нестабильность давления газа в ресивере.

Технический результат, который достигается применением заявленного изобретения, это:

1. Повышение КПД.

2. Гибкость габаритов результирующей конструкции устройства.

3. Качественные упрощения алгоритма управления устройством.

4. Исключение из конструкций маховика.

5. Плавность регулировки вращения коленвала без нагрузки.

6. Отпадает необходимость в стартерном устройстве.

7. Повышенная энергоемкость ресивера.

8. Стабильность давления газа, подаваемого в цилиндры, в режиме двигателя внутреннего сгорания.

Заявленный результат достигается тем, что многоцелевой двигатель внутреннего сгорания, включающий энергетическую подсистему, состоящий из ресивера, аккумулятора топлива высокого давления с насосом подачи топлива через обратный клапан, цилиндр с поршнями, шатунами и коленвалом, оснащенным тахометром; а также из подсистемы шестеренчатой передачи со спидометром и управляющей подсистемой с задатчиком скорости управления вращения ведомого вала, энергетическая подсистема выполнена в виде преобразователя механической энергии в пневматическую, т.е. в энергию сжатого газа и наоборот, цилиндры которой оснащены теплоизолированными форкамерами, а рабочий объем цилиндров кратен числу “два”, снабжена ресивером сжатого газа, к форкамерам подключен аккумулятор для хранения топлива под высоким давлением через дистанционно управляемый клапан подачи топлива; к коленвалу подключен датчик сигнала определения его углового положения; подсистема передачи представлена многоступенчатым редуктором, состоящим из ступеней с постоянным передаточным соотношением и от каждой ступени выведены ведомые валы, а ведущий вал многоступенчатого редуктора выведен от одной из его ступеней и подключен к коленвалу энергетической подсистемы, а также промежуточными дистанционно управляемыми переключающимися редукторами и многовходовым дифференциальным редуктором, у которого один из валов является ведомым валом подсистемы передачи и подключен к потребителю энергии, а остальные валы через промежуточные дистанционно управляемые редукторы соединены с ведомыми валами многоступенчатого редуктора, число которых точно равно числу ведущих валов дифференциального редуктора, при этом промежуточный дистанционно управляемый переключающий редуктор обеспечивает режимы передачи от ведомого вала многоступенчатого редуктора к ведущему валу дифференциального редуктора, а подсистема управления обеспечивает передачу энергии потребителю в режиме двигателя внутреннего сгорания за счет энергии сгорания топливной смеси в цилиндре, передачу энергии потребителю в режиме пневмодвигателя за счет энергии сжатого газа, хранящегося в ресивере, и накопления пневмоэнергии за счет энергии, передаваемой от потребителя в компресорном режиме, согласно изобретению, представлен секциями, где каждая секция представлена группами, состоящими из цилиндров, поршней, шатунов, колен общего для всей группы коленвала, причем колена сдвинуты относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной оси вращения коленвала, на угол 360°, разделенный на численные значения группы; ресивер представлен состоящим из ступеней различного давления газа, которые соединены между собой через дистанционно управляемые клапаны, подключенные к устройству управления, и каждая ступень подключена ко всем цилиндрам двумя газопроводами с двумя последовательно соединенными клапанами, один газопровод оснащен клапаном односторонней проводимости газа от цилиндра к ступени ресивера и дистанционно управляемым клапаном, подключенным к устройству управления, и второй газопровод оснащен клапаном односторонней проводимости газа от ступени ресивера к цилиндру и дистанционно управляемым клапаном, подключенным к устройству управления, а к ступени ресивера максимального давления цилиндры подключены вторым газопроводом через клапан односторонней проводимости газа от ступени ресивера к цилиндрам и дистанционно управляемый клапан, который выполнен в виде пропорционального клапана, регулирующего сечение газопровода, и данная ступень оснащена клапаном максимального давления газа в этой ступени; цилиндры соединены с атмосферой двумя газопроводами, одним газопроводом через клапан односторонней проводимости газа из атмосферы в цилиндр и вторым газопроводом через дистанционно управляемый клапан, подключенный к устройству управления; форкамеры оснащены свечами зажигания, подключенными к устройству управления, а коленвалы каждой секции соединены с датчиками их углового положения дистанционного сигнала и объединены между собой механической передачей, от которой выведены два вала, один из которых подключен к многоступенчатому редуктору.

Для того чтобы включить многоцелевой двигатель в работу в составе ветроэнергетической установки, необходимо к выходу многоступенчатого редуктора подсоединить источник ветровой энергии, а к свободному валу механической передачи подсоединить генератор переменного тока, к выходу которого необходимо подключить коммутирующее устройство первичных обмоток многообмоточного согласующегося трансформатора, число витков у входных и выходных обмоток которого выполнены кратными наперед заданному числу, выход согласующего трансформатора через второе коммутирующее устройство необходимо подключить к потребителю энергии, к которому необходимо подключить датчик синхронизации, соединенный с устройством управления; выход генератора переменного тока необходимо соединить со вторым коммутирующим устройством.

Многоцелевой двигатель внутреннего сгорания приведен на фиг.1

Данный двигатель включает в себя следующие известные технические решения, это: ресивер, устройство подачи топлива, свечи (С), цилиндры (Ц), поршни (П), шатуны (Ш), коленвал (К), датчик углового положения коленвала (ДЗ), устройство управления с зададчиком скорости вращения коленвала.

Предложенный многоцелевой двигатель отличается следующим. Многоцелевой двигатель конструктивно выполнен в виде секций, из которых и собирается совокупный двигатель нужной габаритной конфигурации путем объединения вращающих моментов коленвалов секций единой механической передачей (МП).

В качестве примера на фиг.1 взята секция, представленая группами из трех цилиндров, поршней, шатунов и колен общего для всей секции коленвала (К). Колена коленвала сдвинуты в плоскости перпендикулярно оси вращения коленвала друг относительно друга на угол, равный 360°, разделенный на три, т.е. 120°.

Рассмотрим работу многоцелевого двигателя в режиме двигателя внутреннего сгорания. При попадании поршня в зону, близкую к ВМТ, открывается клапан К2 и в цилиндр из ресивера подается сжатый воздух, затем подается топливо и осуществляется его воспламенение. Происходит рабочий ход поршня и при этом с момента подачи сжатого воздуха и при рабочем ходе поршня клапан К2 остается открытым, т.к. клапан К9 не дает сжатым газам из цилиндра попасть в ресивер, закрытие клапана К2 осуществляется в том положении поршня, когда происходит выравнивание давления газов в ресивере и цилиндре. Рассмотренное техническое решение существенно расширяет длительность включенного состояния клапана К2, что качественно снижает требования к быстродействию его переключений.

Удаление отработанных газов происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ через клапан К6.

Компрессорный режим работы многоцелевому двигателю обеспечивается непрерывным включением клапана К1. В этом режиме при движении поршня от ВМТ к НМТ происходит забор газа из атмосферы через клапан К12, а при сжатии газа в цилиндре за счет движения поршня от НМТ к ВМТ при выравнивании давлений сжатого газа в цилиндре и ресивере начинается закачка сжатого газа в ресивер при дальнейшем движении поршня к ВМТ, а клапан К12 препятствует утечке сжатого газа из цилиндра в атмосферу и т.д.

Повышенная степень сжатия газа в ресивере осуществляется за счет перекачки газа между ступенями ресивера следующим образом. При достижении порогового давления сжатого газа в первой ступени ресивера в работу одновременно включаются клапана К2 и К3. В этом случае при движении поршня к НМТ происходит закачка газа в цилиндр из первой ступени ресивера через клапан К9, а при движении поршня к ВМТ происходит закачка газа во вторую ступень ресивера через клапан К10. После достижения порогового давления во второй ступени ресивера происходит закачка газа в третью ступень и т.д. Последняя ступень ресивера (Сн) снабжена клапаном максимального давления (КМ), который срабатывает в случае переполнения Сн секции ресивера сжатым газом и излишки газа стравливаются в атмосферу.

Система управления обеспечивает постоянство давления газа в ступени С1 за счет избыточности давления газа в остальных ступенях ресивера через управление клапанами определяющих связей между ступенями (К7, К8...).

Работа многоцелевого двигателя в режиме пневмодвигателя обеспечивается пропорциональным клапаном ПК. Пропорциональность работы клапана ПК, т.е. регулирующего сечение пневмопровода, и сдвинутость колен коленвала в секции на угол 120° обеспечивают плавность регулировки скорости вращения коленвалу, начиная с начального состояния, когда угловая скорость вращения коленвала равна нулю, т.е. при начальном запуске двигателя в работу. Таким образом, двигатель может запускаться в работу без дополнительных стартерных устройств, что резко снижает требования к электрическим аккумуляторам, например, применяемым в автомобильном транспорте.

Удаление отработанных газов происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ через клапан К6.

Пространственная сдвинутость колен коленвала обеспечивает ему равномерность угловой скорости его вращения, что дает возможность отказаться от маховика.

Многоцелевой двигатель в составе ветроэнергетической установки приведен на фиг.1.

Для того чтобы включить многоцелевой двигатель в работу в составе ветроэнергетической установки, необходимо:

- выходной вал многоступенчатого редуктора (МР) подключить к источнику ветровой энергии,

- ко второму валу механической передачи (МП) подключить генератор переменного тока (ГПТ), оснащенный выходным согласующим трансформатором (СТ).

Ветроэнергетическая установка на базе многоцелевого двигателя работает следующим образом. Источник ветровой энергии через многоступенчатый редуктор (МР) и механическую передачу (МП) вращает генератор переменного тока (ГПТ), вырабатывает электроэнергию, которая через согласующий трансформатор (СТ) подается потребителю энергии (ПЭ).

Потребителем энергии (ПЭ) может служить:

- нагрузочное комплексное сопротивление (Zн) потребителя энергии,

- другая (нагрузочная) энергетическая система переменного тока (ЭС).

В случае потребителя энергии (ПЭ) в виде энергетической системы переменного тока (ЭС) необходимы:

- синхронизация переменного напряжения на выходе генератора переменного тока (ГПТ) и согласующего трансформатора (СТ) с переменным напряжением, действующим в нагрузочной энергетической системе (ДС),

- обеспечение оптимальной передачи мощности от ветроэнергетической установки в нагрузочную энергетическую систему.

Многоцелевой двигатель здесь может использоваться в следующих режимах:

- при отсутствии энергии ветра либо в режиме двигателя внутреннего сгорания, либо в режиме пневмодвигателя,

- при наличии энергии ветра и избыточности этой энергии многоцелевой двигатель работает в режимах передачи энергии потребителю и компрессора, и энергия при этом накапливается в ресивере в виде энергии сжатого газа (расчеты показывают, что в 1 м газа, сжатого до 1000 МПа, содержится энергия, примерно, равная 10 кВт·час).

С учетом постоянства скорости вращения вала генератора переменного тока (ГПТ):

- регулируя рабочий объем цилиндров, изменяют вращающий момент многоцелевого двигателя, и, таким образом, поддерживается постоянство скорости вращения вала генератора переменного тока (ГПТ),

- изменяя передаточное отношение многоступенчатого редуктора (МР), изменяют вращающий момент на валу генератора переменного тока (ГПТ) при преобразовании энергии ветра в электрическую энергию, а при ее избыточности, изменяя рабочий объем цилиндров многоцелевого двигателя, работающего в компрессорном режиме, преобразуют энергию ветра в энергию сжатого газа,

- изменяя коэффициент трансформации через коммутацию обмоток коммутирующими устройствами (КУ1, КУ2) согласующего трансформатора (СТ), изменяют его выходное напряжение, которое алгебраически суммируется с выходным напряжением генератора переменного тока, чем изменяют величину мощъности, передаваемую в энергетическую систему от ветроэнергетической установки.

Оптимальность передачи мощности, передаваемой от ветроустановки в нагрузочную энергетическую систему (ЭС), обеспечивается совместной регулировкой передаточного отношения многоступенчатого редуктора (МР) и коэффициента трансформации согласующего трансформатора (СТ) при допустимом минимуме синхронизации напряжений на выходе ветроэнергетической установки и в нагрузочной энергетической системе (ЭС) по сигналам с датчиков (ДЗ и ДС). Регулировка коэффициента трансформации согласующего трансформатора (СТ) обеспечивается соответствующей коммутацией обмоток трансформатора, что реализуется коммутирующими устройствами КУ1 и КУ2. Обмотки согласующего трансформатора (СТ) выполнены кратными некоторому наперед заданному числу, например числу “три”. Коммутация обмоток осуществляется следующим образом:

- комбинационным последовательным соединением обмоток между собой,

- комбинационной переменой точек включения начала и конца подключения у различных обмоток.

Такая коммутация позволяет регулировать количество витков обмоток согласующего трансформатора в соответствии с алгебраическим суммированием числа “три”, умноженного на соответствующий весовой коэффициент, который определяется кратностью числа витков в данной обмоточной секции согласующего трансформатора числу “три”. Знак суммирования витков обмоток согласующего трансформатора определяется в зависимости от того, началом или концом подключается данная секция к остальным секциям согласующего трансформатора.

Пример коммутации обмоток согласующего трансформатора (СТ) приведен на фиг.2 для трех его выходных секционных обмоток, число витков которых кратно числу “три”, например:

- W1 - два витка,

- W2 - шесть витков,

- W3 - восемнадцать витков.

В целом число витков выходной обмотки СТ может изменяться в пределах от 0 до 26 витков, и всего получается 26 ступеней переключения выходной обмотки СТ с учетом изменения фазы выходного напряжения на 180 градусов.

Коммутацию выходных обмоток СТ покажем на примере секционной обмотки W1:

- для выключения обмотки W1 из работы включают коммутационные ключи КЛ1 и КЛ2,

- для согласного включения обмотки W1 включают коммутационные ключи КЛ1 и КЛ3,

- для встречного включения обмотки W1 включают коммутационные ключи КЛ2 и КЛ4.

Таким образом, в случае частного владения ветроэнергетической установкой, подключенной к единой энергосистеме, возникают три возможные формы хранения энергии:

- в форме сжатого газа,

- отложенных денежных средств за проданную энергию в единую энергосистему,

- данные денежные средства могут быть преобразованы в жидкое или газообразное топливо.

Многоцелевой двигатель внутреннего сгорания может применяться везде, где применяется двигатель внутреннего сгорания в традиционном исполнении, в частности в автотранспортных средствах.

Идея регулировки выходного напряжения через коммутацию обмоток многообмоточного согласующего трансформатора может найти применение в регулируемых и стабилизированных источниках переменного тока.

Перечень фигур

Фиг.1 - многоцелевой двигатель внутреннего сгорания в составе ветроэнергетической установки.

Фиг.2 - схема включения согласующего трансформатора.

1. Д1, Д2, Д4, Дн - датчики давления,

2. Д3 - датчик углового положения коленвала,

3. К5, К9, К10, K11, K12, К13, К14 - клапаны односторонней проводимости газа,

4. ПК - пропорциональный клапан,

5. K1, К2, К3, К4, К6, Кн - дистанционно управляемые клапаны,

6. KM - клапан максимального давления газа,

7. С - свеча,

8. ТФ - теплоизолированная форкамера,

9. Ц - цилиндр,

10. П - поршень,

11. Ш - шатун,

12. К - коленвал,

13. МП - механическая передача,

14. МР - многоступенчатый редуктор,

15. ГПТ - генератор переменного тока,

16. КУ1, КУ2 - коммутирующие устройства,

17. СТ - согласующий трансформатор,

18. ПЭ - потребитель энергии,

19. ЭС - энергетическая система,

20. ДС - датчик синхронизации,

21. Zн - нагрузочное сопротивление,

22. W1, W2, W3 - секции выходной обмотки СТ,

23. КЛ1...КЛ12 - коммутационные ключи.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ:

1. А.С.Орлина, М.Г.Круглов “Двигатель внутреннего сгорания”, Москва, 1990 г.

2. “Энергетическая техническая система Гребенникова”, заявка №2001122609/06 (023942).