RU32200U1 - Силовой агрегат SEKO - Google Patents

Description

СИЛ(БОЙ АГРЕГАТ SRKO:i).

Устройство относится к машиностроению, а именно к четырехтактным свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано: в качестве силового агрегата для привода самоходных, стационарных машин, станков и оборудования; в насосных, компрессорных, ал.генераторных и теплоэнергетических установках.

Известен силовой агрегат (2), содержащий корпус, разделенный на секции, представляющие собой соосно расположенные цилиндры и рабочие поршни, жестко связанные между собой, в котором гидронасосный, компрессорный и эл.генераторный цилиндры размещены между цилиндрами двигателя и их поршни жестко связаны с поршнями двигателя и между собой с помощью штока. Свободнопоршевой двигатель внутреннего сгорания выполнен по двухтактной схеме.

Недостатком является низкий коэффициент полезного действия (КПД) и невысокая надежность двухтактного двигателя в сравнении с четырехтактным из-за:

1.Несовершенного механизма газораспределения: зависимость фаз газораспределения только от перепада давления

в цилиндре, что не позволяет эффективно и без потерь горючей смеси произвести продувку и наполнение камеры сгорания, как следствие - перерасход топлива, снижение экономичности, повышенная токсичность.

2.Конструкционных особенностей двухтактного двигателя: наличие впускных и выпускных отверстий в цилиндре уменьшает эффективный ход поршня, как следствие - перерасход энергии.

F02B7I/04

Известен также силовой привод с четырехтактным свободнопоршневым двигателем внутреннего сгорания (3), содержащий рабочий цилиндр с клапанами газораспределения и двумя группами поршней, один из которых - основной- жестко связан с силовыми и пусковым гидравлическими плунжерами, а другой - вспомогательный - с управляющим плунжером двухстороннего действия, которые выполняют функцию четырехтактного двигателя внутреннего сгорания при организации поочередного движения поршней в цилиндре, с помощью двух гидроаккумуляторов и системы клапанов, управляемых блоком, состоящим из логического устройства, датчиков контроля состояния элементов силового привода и гидроусилителя управления двухпозиционным золотником.

Недостатками устройства этого агрегата являются:

1.Низкий КПД, связанный с неэффективной системой поочередного движения поршней и потерями энергии на их торможение и пуск.

2.Несовершенство механизма газораспределения - зависимость фаз газораспределения только от перепада давления в цилиндре, как следствие- перерасход топлива, снижение экономичности, повышение токсичности.

3.Потеря энергии в гидроаккумуляторах, т.к. за один цикл (четыре хода) три хода двух поршневых групп осуществляются исключительно за счет энергии накопленной гидроаккумуяяторами.

4.Низкая надежность и сложность управления приводом поочередного движения поршневых групп с помощью блока управления, состоящего из логического устройства, с подключенными к нему датчиками контроля состояния элементов силового привода, и гидроусилителя управления двухпозиционным золотником.

5.Невозможность устойчивой работы из-за отсутствия жесткой системы синхронизации поршней, в связи с : неизбежным изменением физических параметров гидравлики (температура, вязкость, ), в разных участках на разную величину; неравенством сил трения между гильзами цилиндров и поршнями у разных поршневых групп; различной массой поршневых групп.

6.Нецелесообразность разработки многоцилиндрового агрегата, по этой схеме, из-за сложности в системе синхронизации более двух групп нежестко связанных поршней и неизбежности падения КПД при ятом.

7.Значительные габариты и вес.

Цель изобретения - повышение КПД, надежности, уменьшение габаритов и веса силового агрегата. Цель достигается:

I. Расположением рабочих цилиндров двигателя агрегата параллельно между собой и цилиндрами механизма отбора мощности; комбинацией, оптимальной для его работы по четырехтактной схеме; выбором их количества, в зависимости от условий применения агрегата - минимум по два рабочих цилиндра двигателя с торцов агрегата.

Жестким соединением рабочих органов двигателя и механизма отбора мощности в единый блок, оптимальным для их согласованной работы, - рабочие поршни двигателя и поршни (ротор) механизма отбора мощности жестко соединены между собой непосредственно (без шгока) на одном или на нескольких из поршней (роторе) механизма отбора мощности. Безтатоковое соединение поршней между собой дает возможность существенно сократить линейные размеры, упростить

конструкцию и повысить надежность агрегата, в виду отсутствия быстроизнашиваемой системы сальниковых отверстий штока в межсекционных стенках, а также снизить массу подвижной части агрегата и,следовательно, уменьшить ее силу инерции.

2. Повышением эффективности газораспределительной системы, благодаря ее принудительному управлению, что осуществляется использованием энергии механизма отбора мощности.

Функционально силовой агрегат содержит четырехтактный свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания и механизм отбора мощности.

Двигатель, в общем случае, может иметь: четыре рабочих цилиндра и более; непосредственную межпоршневую связь с поршнями ротором) механизма отбора мощности(безютоковую);различные системы питания и газораспределения, отличающиеся по приводу, по управлению приводом, по конструкции.

Механизм отбора мощности, в общем случае, может иметь: различное пространственное расположение, последовательность и количество поршней роторов) и цилиндров (статоров); непосредственную межпорпшевую связь с поршнями (ротором) механизма отбора мощности и штоковую.

В частном случае конструкция двигателя и механизма отбора мощности силового агрегата определяется условиями его применения и экономической целесообразностью.

На чертеже схематично представлен предлагаемый силовой агрегат на виде спереди и сверху с сечением поршней), с четырехцилиндровым двигателем внутреннего сгорания, механизмом отбора мощности, состоящим из компрессора,

гидронасоса, совмещенного гидроприводом с гидромотором, линейного .генератора, и штока отбора мощности.

Двигатель содержит: рабочие цилиндры 1-4, находящиеся в них рабочие поршни 5-8, одностороннего действия; систему газораспределения, состоящую из газораспределительного механизма 9, 10 и клапанного механизма 11-18; систему питания состоящую из топливного механизма 19, 20.

Механизм отбора мощности содержит: компессор, состоящий из пневмоцилиндра 21 с, находящимся в нем, пневмопоршнем 22 двухстороннего действия; гидронасос, состоящий из гидроцилиндров 23 и 24, совмещеннный гидроприводом с гидромотором 25, с находящимися в них гидропоршнями 2в, 27 одностороннего действия; линейный .генератор, состоящий из статоров 2В, 29 с, находящимися в нем, роторов 30, 31

Конструкционно силовой агрегат состоит из двух основных частей: неподвижной и , совершающей в ней возвратнопоступательные движения, подвижной.

Неподвижная часть представляет собой: блок жестко связанных рабочих цилиндров 1-4, с клапанным механизмом II-I8, гидроцилиндров 23, 24, статора 28, 29 с пневмоцилиндром 21. Пневмоцилиндр 21 имеет с торцов жесткое соединение и общие отверстия с рабочими 1-4 и гидро-23, 24 цилиндрами: радиальносимметричные соединения с рабочими цилиндрами I, 3 и центральносимметричное соединение с гидроцилиндром 23, с одной стороны и радиальносимметричные соединения с рабочими цилиндрами 2, 4 и центральносимметричное соединение с гидроцилиндром 24, с другой стороны. Гидроцилиндры 23, 24 с внешних торцов имеют жесткое соединение и общие отверстия со статорами 28, 29: гидроциштока отбора мощности 32, 33.

линдр 23 имеет центральнпсимметричное соединение со статором 28, с одной стороны, а гидроцилиндр 24 имеет центральнесимметричное соединение со статором 29, с другой стороны. Статоры 28, 29 с внешних торцов центральносимметричные отверстия с диаметром, сопряженным с диаметром штока отбора мощности. Газораспределительный 9, 10 и топливный 19, 20 механизмы жестко крепятся к блоку цилиндров агрегата с его торцов, в местах равноудаленных от цилиндров двигателя. Привод и управление газораспределительного 9, 10 и топливного Г9, 20 механизмов осуществляется исходя из целесообразности использования того или иного, а также их комбинации, вида энергии механизма отбора мощности силового агрегата. Так например связь между газораспределительным механизмом 9, 10 и клапанным механизмом 11-18 может быть: механической4 гидравлической, пневматической, электрической или комбинированной.

Подвижная часть представляет собой комбинацию жестко связанных: пневмопоршня 22, рабочих поршней 5-8, гидропоршней 26, 27, роторов 30, 31, гатоков отбора мощности 32, 33. Связь рабочих поршней 5-8 между собой и с гидропоршнями 26, 27 осуществляется через их жесткое соединение с пневмопорганем 22, симметрично расположенного между рабочими 5, 7 и гидро-26 поршнями, с одной стороны и рабочими 6, 8 и гидро-27 поршнями, с другой стороны. Рабочие поршни 5-8 жестко связаны внутренними торцами с торцами пневмопоршня 22 радиалъносимметрично, гидропоршни 26, 27 внутренними торцами - центральносимметрично, а внешними торцами жестко, центральносимметрично, связаны с внутренними торцами роторов 30, 31, внешние торцы которых жестко

ти 32, 33.

Работа силового агрегата в цилиндрах (статоре) механизма отбора мощности осуществляется возвратно-поступательным движением блока поршней (ротора), управляемым поочередным движением поршней двигателя по четырехтактной схеме.

Рассмотрим работу карбюраторного (с впрыском топлива) двигателя на примере одного рабочего цикла (четырех тактов). Поршень 5 из положения верхней мертвой точки (ВМТ) направлен в нижнюю мертвую точку (НМТ), выпускной клапан II закрыт, впускной клапан 12 открыт, рабочая смесь (воздух) поступает в цилиндр I. Поршень 6 из положения НМТ направлен в ВМТ, выпускной клапан 13 закрыт (открыт), впускной клапан 14 закрыт, рабочая смесь (воздух) сжимается в цилиндре 2 (выхлопные газы выталкиваются из цилиндра 2). Поршень 7 из положения ВМТ, после подачи искрового разряда (впрыска топлива) и воспламенения смеси в цилиндре 3, направлен в НМТ, под действием энергии расширяющихся газов, выпускной 15 и впускной 16 клапаны закрыты. Поршень 8 из положения НМТ направлен в ВМТ, выпускной клапан 17 открыт (закрыт), впускной клапан 18 закрыт, выхлопные газы выталкиваются из цилиндра 4 (рабочая смесь (воздух) сжимается в цилиндре 4).

Поршень 5 из положения НМТ направлен в ВМТ, выпускной II и впускной 12 клапаны закрыты, рабочая смесь (воздух) сжимается в цилиндре I. Поршень 6 из положения ВМТ, после подачи искрового разряда (впрыска топлива) и воспламенения смеси в цилиндре 2, под действием энергии расширяющихся газов (в цилиндре 4), направлен в НМГ, выпускной клапан 13 закрыт, впускной клапан 14 закрыт (открыт), рабочая смесь (воздух) поступает в цилиндр 2. Поршень 7 из положения НМТ направлен в ВМТ, выпускной клапан 15 открыт, впускной клапан 16 закрыт, выхлопные газы выталкиваются из цилиндра 3. Поршень 8 из положения ВМТ (после подачи искрового разряда (впрыска топлива) и воспламенения смеси в цилиндре 4, под действием энергии расширяющихся газов) направлен в НМТ, выпускной клапан 17 закрыт, впускной клапан 18 открыт (закрыт), рабочая смесь (возцух) поступает в цилиндр 4.

Поршень 5 из положения ВМТ, после подачи искрового разряда (впрыска топлива) и воспламенения смеси в цилиндре I, направлен в НМТ, под действием пнергии расширяющихся газов, выпускной II и впускной 12 клапаны закрыты. Поршень б из положения НМТ направлен в ВМТ, выпускной клапан 13 открыт (закрыт), впускной клапан 14 закрыт, выхлопные газы выталкиваются из цилиндра 2 (рабочая смесь(воздух) сжимается в цилиндре 2). Поршень 7 из положения ВМТ направлен в НМТ, выпускной клапан 15 закрыт, впускной клапан 16 открыт, рабочая смесь (воздух) поступает в цилиндр 3. Поршень 8 из положения НМТ направлен в ВМТ, выпускной клапан 17 закрыт (открыт) впускной клапан 18 закрыт, рабочая смесь (воздух) сжимается в цилиндре 4 (выхлопные газы выталкиваются из цилиндра 4).

Поршень 5 из положения НМТ направлен в ВМТ, выпускной клапан II открыт, впускной клапан 12 закрыт, выхлопные газы выталкиваются из цилиндра I. Поршень 6 из положения ВМГ (после подачи искрового разряда (впрыска топлива) и воспламенения смеси в цилиндре 2,под действием пнергии расширяющихся газов) направлен в НМГ, выпускной клапан 13 закрыт, впускной 14 клапан открыт (закрыт), рабочая смесь (воздух) поступает в цилиндр 2. Поршень 7

из положения НМТ направлен в ВМТ, выпускной 15 и впускной 16 клапаны закрыты, рабочая смесь (воздух) сжимается в цилиндре 3. Поршень 8 из положения ВМТ, после подачи искрового разряда (впрыска топлива) и воспламенения смеси в цилиндре 4, под действием энергии расширяющихся газов (в цилиндре 2), направлен в НМТ, выпускной клапан 17 закрыт, впускной клапан 18 закрыт (открыт, рабочая смесь (воздух) поступает в цилиндр 4). Цикл завершен.

Из обобщения работы двигателя следует, что очередность рабочих циклов, в разницу на один такт, имеют любые из цилиндров двигателя,находящихся с противоположных торцов агрегата, на два такта - с одного торца агрегата.

Аналогично происходит и работа агрегата с числом цилиндров двигателя более четырех. Отличие лишь в том, что рабочие такты совпадают сразу в двух, для восьмицилиндрового двигателя или в трех, для двенадцатицилиндрового двигателя, цилиндрах.

Часть полезной мощности, вырабатываемой в двигателе преобразуется в гидронасосе в анергию давления рабочей жидкости, которая может использоваться загем для привода гидромотора (гидромуфты), встроеного например в трансмиссию автомобиля, а так же другого рабочего оборудования. Часть полезной мощности, при необходимости, может использоваться в компрессоре, для создания запасов сжатого воздуха, а так же в линейном электрогенераторе для выработки электроэнергии. Сжатый воздух затем используется, например, для привода тормозов автомобиля и запуска силового агрегата. Электроэнергия может использоваться для подзарядки автомобильного аккумулятора, а так же в системе электрического запуска силового агрегата.

Данный силовой агрегат имеет все преимущества четырехтактного двигателя с кривошипно-шатунным механизмом (НИШ) и свободен от, присущих ему, недостатков: наличие МИМ и, связанных с ним, потерь энергии; а так же все преимущества свободнопоршневого: малые габариты и вес, простота конструкции, а следовательно, низкие затраты на производство, ремонт и обслуживание, повышение мощности двигателя за счет возможности изменения степени сжатия, в зависимости от изменения камеры сгорания, при различных циклах; и свободен от присущих ему недостатков: обычно несовершенных систем питания и газораспределения.

Таким образом, устраняя недостатки и используя преимущества, присущие свободнопоршневым двигателям предлагаемый силовой агрегат позволяет повысить КПД в сравнении с четырехтактным двигателем с HUM. Это благоприятствует применению силового агрегата для привода самоходных машин, особенно в тех, где конструкцией предусмотрено наличие гидромоторов, гидромуфт, гидронасосов, гидроцилиндров, гидропривод которых очень просто об единить с гидронасосом силового агрегата и будет, тем самым, исключена цепь преобразований движения и, связанных с этим, потерь энергии.

Особенно целесообразно применение силового агрегата в передвижных компрессорных и насосных механизмах, в которых, из-за несовершенства существующих двухтактных и четырехтактных свободнопоршневых двигателей, получили широкое распространение четырехтактные, с HI1M. При об единении двигателя, с Ш1М, с механизмом отбора мощности происходит значительное снижение КПД агрегата, связанное с потерей энергии на преобразованиях движения: возвратно-поступательное движение поршней двигателя - во вращательное движение коленчатого вала двигателя - во вращательное движение коленчатого вала механизма отбора мощности - в возвратно-поступательное движение поршней механизма отбора мощности, - а так же существенно возрастают габариты и масса механизма, что усложняет его передвижение.

Примечание: I. SEKO - специальное наименование, составленное из двух первых букв латинского алфавита имени и фамилии автора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

Z. ЕР ЛЮ280200, F 02B7I/04, публ. от 31.08.1988г.

3. А/С HQ9254 I, P 02B7I/04, публ. от 15.09.1990г.

&Ј S/2il№0

Claims (1)

1. Силовой агрегат, содержащий, как минимум, четырехцилиндровый четырехтактный свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания и механизм отбора мощности, отличающийся тем, что группа поршней двигателя жестко соединена безштоковой связью в единый блок поршней с поршнем (ротором) или группой поршней (роторами) механизма отбора мощности.