Комбинированный поршневой двигатель

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к комбинированным двигателям внутреннего сгорания, карбюраторным и дизельным, используемым в разных областях техники, в том числе на автомобилях, тракторах, стационарных установках и др. Задачей данного изобретения является повышение КПД комбинированного поршневого двигателя путем уменьшения механических потерь и, как следствие, уменьшение расхода топлива на единицу мощности. Для достижения этой задачи предлагается следующая конструкция и принцип работы двигателя. Комбинированный поршневой двигатель включает по меньшей мере два взаимосвязанных агрегата, по меньшей мере один из которых служит для преобразования поступательного движения поршней во вращательное. При этом по меньшей мере один агрегат представляет собой генератор давления в виде параллельных связанных между собой цилиндров двигателя внутреннего сгорания и гидроцилиндров, а другой агрегат выполнен в виде гидравлического движителя с турбиной, имеющей радиальные лопатки.FR-A1-7822465 ТАРГОНСКИЙ ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ (BY) Изобретение относится к области машиностроения, а именно к комбинированным двигателям внутреннего сгорания, карбюраторным и дизельным, используемым в разных областях техники, в том числе на автомобилях, тракторах, стационарных установках и др. Как и всякая тепловая машина, двигатель внутреннего сгорания (далее ДВС) имеет свои техникоэкономические показатели. Одним из таких показателей является эффективный КПД, представляющий собой отношение теплоты эквивалентной эффективной работы к теплоте, затраченной на получение этой работы. Эффективный КПД учитывает как тепловые, так и механические потери в двигателе. Современные поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания представляют собой сложные агрегаты, состоящие из механизмов, устройств, систем и отдельных деталей. Известен двигатель внутреннего сгорания (Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина, М.Б. Круглова, изд-во "Машиностроение", 1980, стр. 6668), состоящий из корпуса, кривошипно-шатунного механизма, преобразующего поступательное движение во вращательное, механизм газораспределения, систему воздухоснабжения, топливную систему, систему смазки и систему охлаждения. Недостатками таких двигателей являются высокие механические потери и большой расход топлива на единицу мощности. Рассмотрим, где и как возникают механические потери в двигателе, понижающие его мощность. На фиг. 1 показаны основные силы, действующие в ДВС. Силы делятся на движущие силы и силы сопротивления. Силы сопротивления делятся на силы полезного и вредного сопротивления. Силами полезного сопротивления являются силы сопротивления потребителя энергии двигателя, силами вредного сопротивления - силы трения поршня и поршневых колец о стенку цилиндра, силы трения в подшипниках. Движущая сила - это сила давления газа на поршень в цилиндре. Обозначим ее Р. Она приложена к оси поршневого пальца и направлена по оси цилиндра. Эта сила разлагается на силу N, действующую перпендикулярно оси цилиндра, и силу K, действующую по оси шатуна. Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра и значительно увеличивает силу трения поршня и поршневых колец о стенки цилиндра,что вызывает износ их поверхностей и потерю мощности. Она переменна по величине и направлению. Кроме того, сила N на плече L создает опрокидывающий момент разных направлений, что вызывает вибрацию двигателя. Сила K, перенесенная на ось шатуна, раскладывается на тангенциальную силу Т, действующую перпендикулярно кривошипу коленчатого вала, и нормальную силу Z, направленную по кривошипу. Сила Z нагружает подшипники коленчатого вала, шатуна и увеличивает трение в них, тем самым уменьшая мощность двигателя. Тангенциальная сила Т, умноженная на радиус кривошипа R, дает крутящий момент Mkp=TR. Но величина силы Т из-за особенности устройства кривошипно-шатунного механизма, в котором происходит преобразование поступательного движения поршня во вращательное, зависит от угла поворота коленчатого вала. Она переменна по величине и всегда меньше силы K, приложенной к оси шатуна на cos . Т=Kcos(Вмт и Нмт cos= 0), что ведет к значительному уменьшению величины крутящего момента и уменьшению мощности ДВС. По той же причине теряется мощность при такте сжатия. В качестве прототипа выбран комбинированный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из двигателя с блоком цилиндров, поршневой группы, распределительного вала с системой клапанов, системы подачи топлива, а также дополнительно включающий блок паровой машины, сидящий на одном колечатом валу с двигателем внутреннего сгорания и имеющий систему клапанов и систему их распределительного вала, совмещенную с системой клапанов двигателя, паровой котел и пароперегреватель(патент RU2374475). Недостатками этого изобретения являются высокие потери в преобразовании движения кривошипно-шатунного механизма и значительное боковое трение поршней о стенки цилиндра. Задачей данного изобретения является повышение КПД комбинированного поршневого двигателя путем уменьшения механических потерь и, как следствие, уменьшение расхода топлива на единицу мощности. Для увеличения эффективного КПД необходимо избавиться от кривошипно-шатунного механизма. Для достижения этой цели предлагается следующая конструкция и принцип работы двигателя. Комбинированный поршневой двигатель включает по меньшей мере два взаимосвязанных агрегата, по меньшей мере один из которых служит для преобразования поступательного движения поршней во вращательное. При этом по меньшей мере один агрегат представляет собой генератор давления в виде параллельных связанных между собой цилиндров двигателя внутреннего сгорания и гидроцилиндров, а другой агрегат выполнен в виде гидравлического движителя с турбиной, имеющей радиальные лопатки. В одном усовершенствовании генератор давления включает по меньшей мере два блока цилиндров,расположенных оппозитно, а поршни посредством жестких связей соединены с траверсой. При этом траверса в свою очередь соединена с поршнями гидроцилиндров, расположенных параллельно блокам цилиндров поршневого агрегата. В другом усовершенствовании траверса посредством по меньшей мере одного шатуна соединена с кривошипом маховика, закрепленного на корпусе. Предпочтительно траверса посредством шатунов с двух сторон соединена с кривошипами двух маховиков, закрепленных на корпусе. Наиболее предпочтительно вал по меньшей мере одного из маховиков соединен с системой обеспечения работы двигателя внутреннего сгорания. На представленных чертежах схематически изображено устройство работы двигателя. На фиг. 1 изображены основные силы, действующие в ДВС, построенном в соответствии с классическими принципами (относится к существующему уровню техники). На фиг. 2 - схематическое изображение генератора давления (вид сверху). На фиг. 3 - схематическое изображение генератора давления (сечение блока цилиндров). На фиг. 4 - схематическое изображение гидравлического движителя. На фиг. 5 - схематическое изображение расположения и взаимной связи элементов двигателя. На фиг 6 изображены диаграммы изменения тангенциальной силы Т ДВС, построенного по классическому принципу с использованием кривошипно-шатунного механизма и предлагаемой конструкции. Предлагаемый комбинированный поршневой двигатель состоит из двух взаимосвязанных агрегатов. Первый агрегат - генератор давления 1, второй агрегат - гидравлический движитель 2. На фиг. 2-3 схематически изображен генератор давления. Собой он представляет часть ДВС, два блока цилиндров 3 которого с поршневыми группами, головками цилиндров, механизмами газораспределения, впускными и выпускными системами, топливной аппаратурой, системами зажигания, охлаждения и другими системами, которые обеспечивают нормальную работу современного ДВС, расположены под углом 180 друг к другу. Кроме того, в том же корпусе по краям каждого блока цилиндров 3 расположены гидроцилиндры 4 с поршнями и системами впускных и выпускных клапанов. Все поршни посредством жестких связей соединяются с траверсой 5. Сама траверса 5 посредством шатунов 6 с двух сторон соединена с кривошипами 7 двух маховиков 8, закрепленных на корпусе. Величина радиусов кривошипов 7 маховиков 8 определяет ход поршней ДВС и поршней гидроцилиндров 4, совершающих возвратно-поступательные движения. Так как траверса 5, с точки зрения теоретической механики, представляет собой балку, воспринимающую переменные нагрузки от поршней ДВС и гидроцилиндров 4,под действием которых будут возникать изгибающие моменты, что может негативно сказаться на работе генератора давления 1, то для обеспечения нормального хода поршней она должна иметь две опоры. Поэтому в конструкции генератора давления 1 траверса 5 соединена с двух сторон через шатуны 6 с кривошипами 7, служащими этими опорами. Силы инерции возвратно-поступательно движущихся частей аккумулируются маховиками 8, а возникающая при этом вибрация гасится противовесами, закрепленными на этих маховиках 8. Один из маховиков 8 выполняется в виде шестерни и с выступающим валом 9. Посредством этой шестерни может осуществляться запуск ДВС от внешнего источника (например, стартера). С вала 9 снимается мощность для обслуживания систем двигателя, обеспечивающих работу генератора давления 1 как ДВС. На фиг. 2 схематически изображено, как при помощи механической передачи 10 с вала 9 передается мощность распредвалу 11 газораспределительной системы ДВС. При работе генератора давления 1 как ДВС возникает трение между уплотняющими кольцами поршней и стенками цилиндров, а также появляется необходимость в отводе теплоты от самих поршней. В ДВС, построенном по классической схеме с кривошипно-шатунным механизмом, смазка и отвод теплоты происходит путем разбрызгивания моторного масла при помощи шатунов и кривошипов коленчатого вала, а также через специальные каналы в коленчатом валу и шатунах. В предлагаемой конструкции смазка стенок цилиндров и отвод теплоты от поршней осуществляется насосом через форсунки 12 фиг. 3,а охлаждающая и смазывающая жидкость стекает в картер 13 фиг. 3. Смазка и отвод теплоты входит в систему обслуживания генератора давления, работающего как ДВС. Второй агрегат представляет собой гидравлический движитель 2, состоящий из цилиндрического корпуса 14 и турбины 15 с радиально расположенными на ней рабочими лопатками фиг. 4. Движитель имеет входное 16 и выходное 17 отверстия. Лопатки турбины 15 могут располагаться под углом навстречу потоку и иметь форму, обеспечивающую эффективное преобразование энергии давления жидкости во вращение. Принцип работы двигателя состоит в следующем. На фиг. 5 дано схематическое изображение расположения и взаимной связи элементов двигателя. Генератор давления 1 работает как четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, поршни которого под действием силы давления рабочих газов Рг (фиг. 1) совершают возвратно-поступательные движения. Соединенные с траверсой 5 поршни гидроцилиндров 4 также совершают возвратно-поступательные движения. Они попеременно нагнетают рабочую жидкость через систему выпускных клапанов и патрубков 18 в подающий трубопровод 19, который подсоединен к входному отверстию 16 водяного движителя. Поток жидкости, попадая под давлением на лопатки турбины 15, придает ей вращение, создавая при этом крутящий момент, являющийся движущей силой двигателя. Через выходное отверстие 17, обратный трубопровод 20, впускные патрубки и клапаны 21 рабочая жидкость возвращается в гидроцилиндры 4, и цикл будет повторяться бесконечное количество раз. При равной площади поршней блока цилиндров 3, поршней гидроцилиндров 4, площади сечения подающего и обратного трубопроводов 19, 20 согласно закону Паскаля (раздел физики гидростатика) сила давления газов Рг (фиг. 1) посредством рабочей жидкости передается один к одному на лопатки тур-2 019095 бины 15 водяного движителя. Таким образом, при помощи гидравлического движителя возвратнопоступательное движение поршней генератора давления преобразуется во вращательное движение с получением крутящего момента и потери мощности, имеющиеся при использовании кривошипношатунного механизма, устраняются. Изобретение обеспечивает повышение КПД двигателя, а именно снижение расхода топлива на единицу мощности. Повышение КПД в процентном выражении наглядно демонстрируется графически. На фиг. 6 представлены графики, отображающие сущность изобретения и позволяющие определить полезность изобретения, а также полученный технический результат, следствием которого является повышение КПД двигателя внутреннего сгорания. Графики отображают силовую характеристику (тангенциальную силу) рабочего такта четырехтактного ДВС, построенного по классической схеме с кривошипношатунным механизмом, в сравнении с предлагаемым данным изобретением. Графики построены по закону Бойля-Мариотта для изотермического процесса в газе. По оси абсцисс откладываем объем газа, по оси ординат - его давление. К примеру, первоначальное давление рабочих газов в камере сгорания,имеющей объем 100 см 3, будет 100 кг/см 2 при площади поршня 100 см 2, ход поршня 10 см. На основании закона Бойля-Мариотта рассчитываем величину давления в отдельных точках на весь ход поршня и строим кривую линию. Эта линия 22 фиг. 6 является графическим изображением силы Р, которая, будучи умноженной на радиус турбины RT (см. фиг. 4), создает крутящий момент Мкр = PRT. Зная длину хода поршня, высчитываем величины тангенциальной силы по углу поворота коленчатого вала в отдельных точках и строим график этой силы, линия 23 фиг. 6. Площадь S на диаграмме, ограниченная линией 22 и осью абсцисс, будем считать полезной работой за рабочий такт предлагаемого двигателя. Площадь S1,ограниченная линией 23 и осью абсцисс, будет считаться той же работой двигателя с кривошипношатунным механизмом. Отношение разницы S-S1 к S, т.е. (S-S1)/S, и будет выражать коэффициент полезного действия предлагаемого двигателя. В данном случае КПД составляет 30%. Таким образом, при использовании предлагаемого изобретения расход топлива на единицу мощности уменьшается на 30% без учета потерь мощности при такте сжатия, трения в кривошипно-шатунном механизме и трения поршней под воздействием силы N. Изобретение не требует изменения технологического процесса и удорожания производства, так как стоимость изготовления дополнительного агрегата (гидравлический движитель с трубопроводами) компенсируется стоимостью изготовления таких технологически сложных деталей, как коленчатый вал с шатунами. Конструкция и принцип работы двигателя позволяют производить его как в карбюраторном,так и в дизельном исполнении. Изобретение соответствует критерию новизны, так как прямо не вытекает из современного уровня техники, а именно сведения о рассматриваемом устройстве в известных источниках отсутствуют. Изобретение отвечает критерию промышленной пригодности, так как оно может быть использовано в промышленности, в автомобильном транспорте, сельхозтехнике и других сферах деятельности,кроме того, двигатель может быть изготовлен из известных материалов и по известным технологиям. Изобретение не является очевидным для специалиста в данной области техники, поэтому оно соответствует критерию изобретательский уровень. Позиции на чертежах 1 - Генератор давления,2 - гидравлический движитель,3 - блоки цилиндров с поршнями, работающие как ДВС,4 - гидроцилиндры с поршнями,5 - траверса,6 - шатун маховика,7 - кривошип маховика,8 - маховик,9 - вал маховика,10 - механическая передача,11 - распредвал газораспределительного механизма ДВС,12 - форсунка,13 - картер со смазывающей и охлаждающей жидкостью,14 - корпус гидравлического движителя,15 - турбина с радиально расположенными лопатками,16 - входное отверстие движителя,17 - выходное отверстие движителя,18 - выпускной патрубок с системой выпускных клапанов,19 - подающий трубопровод,20 - обратный трубопровод,21 - впускной патрубок с системой впускных клапанов,22 - диаграмма рабочего такта предлагаемого двигателя,23 - диаграмма рабочего такта классического двигателя. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Комбинированный поршневой двигатель, включающий по меньшей мере два взаимосвязанных агрегата, по меньшей мере один из которых служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное, отличающийся тем, что по меньшей мере один агрегат представляет собой генератор давления в виде параллельных, связанных между собой цилиндров двигателя внутреннего сгорания и гидроцилиндров, а другой агрегат выполнен в виде гидравлического движителя с турбиной, имеющей радиальные лопатки, связанного трубопроводами с гидроцилиндрами генератора давления и обеспечивающего преобразование возвратно-поступательного движения поршней гидроцилиндров во вращательное движение. 2. Комбинированный поршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что генератор давления включает по меньшей мере два блока цилиндров, расположенных оппозитно, а поршни посредством жестких связей соединены с траверсой, которая в свою очередь соединена с поршнями гидроцилиндров,расположенных параллельно блокам цилиндров поршневого агрегата. 3. Комбинированный поршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что траверса посредством по меньшей мере одного шатуна соединена с кривошипом маховика, закрепленного на корпусе. 4. Комбинированный поршневой двигатель по п.3, отличающийся тем, что траверса посредством шатунов с двух сторон соединена с кривошипами двух маховиков, закрепленных на корпусе. 5. Комбинированный поршневой двигатель по п.3 или 4, отличающийся тем, что вал по меньшей мере одного из маховиков соединен с системой обеспечения работы двигателя внутреннего сгорания.