Способ управления аксиально-поршневым двигателем и аксиально-поршневой двигатель

Способ управления аксиально-поршневым двигателем и аксиально-поршневой двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к двигателям, в частности к аксиально-поршневым двигателям (АПД) с наклонным диском, и предназначено для получения механической работы за счет преобразования энергии, выделяемой при сгорании топлива.

Известен способ управления аксиально-поршневым двигателем (патент №2265741, опубликован 20.12.2005 автор Ермаков В.Н.), заключающийся в том, что подают топливо в цилиндры блока сжигания после продувки, сжимают топливно-воздушную смесь, воспламеняют топливно-воздушную смесь свечой зажигания, сжигают топливо в цилиндрах, подают горячие газы, образуемые в блоке цилиндров при сгорании топлива, на поршни с наклонными основаниями, которые получают перемещение вдоль осей цилиндров и вращение вокруг своих осей, трансформируют вращение поршней в силовых цилиндрах (СЦ) во вращение наклонного диска, взаимодействующего механически с плоскими поверхностями поршней с наклонными основаниями и соединенного жестко с выходным валом, осуществляют продувку путем подачи воздуха поршнями блока цилиндров нагнетания через отверстия вала и корпуса.

Недостатки способа

В качестве нагнетателя воздуха используется поршневой нагнетатель в виде блока цилиндров нагнетателя, который менее эффективен, чем турбинный нагнетатель, в турбонаддуве и практически не применяется на ДВС.

Отсутствует возможность регулирования фаз газораспределения для повышения механического к.п.д. и увеличения давления наддува.

Способ не позволяет управлять числом работающих СЦ при запуске АПД, торможении, на спусках, при работе на частичных режимах.

Способ не позволяет реализовать четырехтактный рабочий цикл, который больше распространен среди дизелей.

Известен аксиальный двигатель (патент №2265741, опубликован 20.12.2005, автор Ермаков В.Н.).

Аксиальный двигатель содержит полый вал-золотник, сделанный за одно с наклонным диском, и попарно скрепленные между собой поршни, причем в каждой паре скрепленных между собой поршней один помещен в блок цилиндров нагнетания, а второй - в блок цилиндров сгорания.

Наклонный диск кинематически соединен с наклонными, усеченными по эллипсу основаниями поршней, попарно скрепленных между собой так, что один из них в блоке цилиндров нагнетания, а второй в блоке цилиндров сгорания.

Получение технического результата основано на том, что поршни усечены по эллипсу и имеют вынужденное вращение вокруг осей цилиндров во время поступательного движения поршней.

Недостаток устройства в том, что оно работает только по двухтактному циклу. Для реализации четырехтактного цикла необходима конструктивная переделка цилиндро-поршневой группы.

Не используется турбонаддув, и это не позволяет регулировать фазы управления газораспределительного механизма (ГРМ) и снижать дополнительно механические потери.

Известен способ управления аксиально-поршневым двигателем (прототип-патент №2386047 С2, опубликовано 10.04.2010, автор Стивенз Томас Гленн), заключающийся в том, что сжимают воздух или топливовоздушную смесь, подают топливо в цилиндры, воспламеняют топливо, сжигают топливо в цилиндрах, подают горячие газы, образующиеся в цилиндрах при сгорании топлива, на поршни с наклонными основаниями, которые получают перемещение вдоль осей цилиндров и вращение вокруг своих осей, преобразуют вращение поршней в цилиндрах во вращение наклонного диска, взаимодействующего механически с плоскими поверхностями с наклонными основаниями или эллиптическими опорами-толкателями, соединенными механически с вращающимися поршнями с наклонными основаниями посредством штоков, соединенного жестко с выходным валом, осуществляют выпуск отработанных газов и продувку путем подачи воздуха поршнями блока цилиндров нагнетания через отверстия поршня при его повороте и одновременно вертикальном перемещении и совмещении с впускными и выпускными окнами, реализуют таким образом двухтактный цикл.

Недостатки способа

Не реализуется четырехтактный дизельный цикл.

Отсутствует возможность регулирования фаз газораспределения для повышения механического к.п.д. и увеличения давления наддува.

Способ не позволяет управлять числом работающих СЦ при запуске АПД, торможении, на спусках, при работе на частичных режимах. Способ не позволяет увеличивать на подъемах крутящий момент за счет увеличения наддува путем управления электроклапанами (ЭК) для выпуска газов.

Способ не позволяет осуществлять наддув СЦ воздуха, подаваемого в компрессор.

Способ не позволяет осуществить реверс выходного вала АПД за счет изменения вращения стартер-генератора (СГ) и кривошипа на противоположное.

Способ не позволяет чередовать СЦ при запуске, реверсе, торможении для равномерной нагрузки СЦ во время эксплуатации АПД.

Известен двухтактный аксиальный-поршневой двигатель (АПД) внутреннего сгорания (прототип-патент №2386047 С2, опубликовано 10.04.2010, автор Стивенз Томас Гленн).

Этот АПД содержит СЦ, расположенные параллельно, головки цилиндров, поршни с осями перемещения, параллельными центральным осям цилиндров, выходной вал, расположенный между цилиндрами в центре.

Поршни образуют с головками цилиндров и цилиндрами камеры сгорания.

Кривошип имеет плоскую несущую поверхность, расположенную под углом к оси выходного вала, и жестко соединен с выходным валом.

Толкатели поршней имеют поверхности с нормальной осью, расположенной под углом к центральным осям поршней, и соединены штоками, параллельными осям цилиндров с поршнями.

Получение технического результата основано на том, что поршни усечены по эллипсу и имеют вынужденное вращение вокруг своих осей во время их перемещения вдоль осей цилиндров.

Для реализации АПД требуется делать скос поршней для придания им вращательного движения для преобразования последних во вращательное движение наклонного диска, жестко соединенного с выходным валом.

Выполнение поршней усеченными необходимо для работоспособности устройства. При такой форме поршни имеют вращательное движение и поступательное одновременно.

При этом камера сгорания приобретает неоптимальную форму, и это приводит к снижению индикаторного к.п.д., ибо ухудшает процесс сгорания топлива.

В двигателях с КШМ, когда поршень находится в пределах своего хода за исключением нижней мертвой точки (НМТ) и верхней мертвой точки (ВМТ), шатун располагается в это время под углом к центральной линии цилиндра, внутри которой располагается поршень. Воздействие сил на ось шатуна получает противодействие в граничном слое между поршнем и стенкой цилиндра. Нагрузка, оказываемая поршнем на стенку цилиндра, известна как боковая нагрузка поршня.

Снижение боковой нагрузки приводит к снижению затрат топлива на единицу мощности. Следовательно, уменьшается и количество двуокиси углерода на единицу мощности.

На рабочем ходу при возрастании давления в цилиндрах возрастают потери на трение. При длительной работе возникают проблемы с износостойкостью. Динамические центробежные нагрузки на детали двигателя возрастают геометрически с частотой вращения двигателя.

В прототипе и боковые нагрузки минимальны и механические потери минимальны.

Поршень в АПД с наклонным диском поршень может перемещаться по синусоидальной кривой, увеличивая тем самым время пребывания в ВМТ и потенциал рабочих характеристик двигателя.

Впуск и выпуск в двухтактном АПД регулируется в зависимости от местоположения полярной координаты поршня или от угла поворота вращающегося поршня, который совершает вращательное и поступательное движение.

В результате вращения поршней происходит вращение шатунов, жестко соединенных с вращающимися поршнями вверху и с толкателями внизу, а также вращение толкателей в виде наклонных эллиптических плоских поверхностей, взаимодействующих кинематически с наклонным плоским диском и передающих ему вращение в противоположном направлении.

Толкатели контактируют с возможностью скольжения с несущей поверхностью наклонного диска. Кривошип вращает выходной вал.

Отсутствует в устройстве возможность регулирования фаз газораспределения для повышения механического к.п.д. и увеличения давления наддува.

Устройство не позволяет управлять числом работающих СЦ при запуске АПД, торможении, на спусках, при работе на частичных режимах.

Устройство не позволяет увеличивать на подъемах и при обгонах крутящий момент за счет увеличения наддува путем управления электроклапанами для выпуска газов.

Устройство не позволяет чередовать цилиндры при работе и создавать для них одинаковую нагрузку во время эксплуатации при изменении их числа при разных режимах.

Устройство позволяет применить толкатели только с перемещением вдоль осей СЦ и вращением относительно наклонной шайбы и не позволяет применить толкатели с перемещением как вдоль оси поршней в СЦ, так и вдоль осей отверстий в наклонной шайбе с секторами под углом к ней. Устройство не позволяет осуществить реверс выходного вала АПД.

Новый технический результат заключается в том, что:

устройство, реализующее способ, имеет возможность регулирования фаз газораспределения для повышения механического к.п.д. и регулирования давления наддува;

устройство позволяет уменьшить потери от боковой нагрузки поршня за счет применения цилиндрического шарнира, связывающего толкатель и шток с поршнем, с перемещением его по валу, со скольжением, расположенному в вилке, жестко соединенной со штоком и перпендикулярно к штоку с поршнем;

устройство позволяет управлять числом работающих силовых цилиндров при запуске АПД, торможении, на спусках, при работе нам частичных режимах и на холостом ходу;

устройство позволяет увеличивать на подъемах и при обгонах крутящий момент за счет увеличения давления наддува путем управления электроклапанами для выпуска газов из СЦ на турбину для привода турбокомпрессора;

устройство позволяет осуществлять наддув воздуха в СЦ;

устройство, реализующее способ, позволяет применить толкатели с перемещением как вдоль оси поршней и соединяющих их с толкателем штоков в СЦ, так и вдоль осей отверстий в наклонной шайбе с секторами под углом к ней;

устройство позволяет чередовать цилиндры при работе и создавать для них одинаковую нагрузку во время эксплуатации при изменении их числа при разных режимах;

устройство позволяет осуществить реверс выходного вала АПД за счет изменения направления вращения СГ и кривошипа на противоположное.

Целью изобретения является расширение возможностей и повышение эффективности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления аксиально-поршневым двигателем, заключающемся в том, что на такте рабочего хода сжигают топливо в верхней мертвой точке, перемещают поршни к нижней мертвой точке давлением газов при расширении газов вдоль осей цилиндров вместе с шатунами и толкателями, расположенными под углом к оси выходного вала, воздействуют толкателями на наклонный диск с плоской несущей поверхностью, закрепленный на оси выходного вала, вращают кривошип с плоской несущей поверхностью, расположенный под углом к оси выходного вала, и вместе с ним выходной вал, осуществляют выпуск отработанных газов после рабочего хода, впуск воздуха и заполнение цилиндра перед сжатием, осуществляют подачу топлива, согласно изобретению осуществляют запуск двигателя с помощью стартер-генератора, соединенного кинематически с кривошипом и управляемого по заданным программам от электронного блока управления, осуществляют дизельный четырехтактный цикл, для этого подают топливо в цилиндры от гидравлического аккумулятора высокого давления через электроуправляемые форсунки под высоким давлением, подвод воздуха и отвод отработанных газов осуществляют через индивидуальные газораспределительные механизмы с клапанами, управляемыми с помощью электромагнитов, толкатели цилиндрической формы перемещают внутри отверстий вдоль их центральных осей, выполненных в секторах, жестко соединенных с качающейся шайбой в направлении этих отверстий возвратно-поступательно во время четырехтактного дизельного цикла в направлении центральных осей цилиндров и под углом к ним, перемещают штоки, соединенные механически с поршнями, как путем перемещения толкателей относительно отверстий, расположенных под углом к центральным осям силовых цилиндров в наклонных сегментах качающейся шайбы, соединенным жестко с качающейся шайбой на шаровой опоре, взаимодействующей с шаровым шарниром, так и за счет перемещения толкателей вдоль центральных осей силовых цилиндров вместе со своими секторами и с колебаниями толкателей цилиндрической формы вокруг своих продольных осей, колебаниями поршней со штоками вокруг центральных осей штоков и поршней с возвратно-поступательным перемещением цилиндрических шарниров, соединяющих толкатели цилиндрической формы со штоками вдоль осей пальцев, перпендикулярных центральным осям штоков в вилках, жестко соединенных со штоками поршней силовых цилиндров, впуск свежего воздуха и выпуск отработанных газов осуществляют через индивидуальные клапаны с электромагнитным управлением, при пуске открывают одновременно все клапаны для впуска воздуха и выпуска отработанных газов во всех силовых цилиндрах с помощью газораспределительных механизмов для каждого силового цилиндра с индивидуальными электромагнитными клапанами, раскручивают с помощью стартер-генератора маховик в виде кривошипа при отсутствии компрессии в силовых цилиндрах до заданной частоты вращения, запасают необходимое для запуска двигателя количество кинетической энергии, включают в работу клапаны впуска воздуха и выпуска отработанных газов и форсунки для впрыска топлива по заданному четырехтактному циклу топлива в требуемой последовательности, производят запуск двигателя, переводят стартер-генератор на работу в генераторном режиме, запуск аксиально-поршневого двигателя реализуют в зависимости от его числа силовых цилиндров как минимум в две ступени, на первой ступени запускают как минимум один силовой цилиндр при отсутствии компрессии во всех остальных, а на второй ступени и последующих ступенях - все остальные в порядке через один для четырехтактных дизельных аксиально-поршневых двигателей, при торможениях, спусках, остановках на перекрестках, открывают одновременно все электроклапаны для впуска воздуха и выпуска отработанных газов с помощью электронного блока управления в газораспределительных механизмах каждого из силовых цилиндров с индивидуальными электромагнитными клапанами во всех силовых цилиндрах, которые отключаются от работы в требуемые периоды времени и закрывают форсунки для впрыска топлива по заданному закону в отключаемые от работы силовые цилиндры, уменьшают подачу топлива в оставшиеся силовые цилиндры, уменьшают давление наддува пропорционально числу отключаемых цилиндров, при подъемах или обгонах открывают раньше достижения поршнями нижней мертвой точки выпускные электроклапаны каждого силового цилиндра и его газораспределительного механизма, подают на турбину турбокомпрессора газы с более высокой энергией, увеличивают частоту вращения турбины и турбокомпрессора и увеличивают давление наддува, одновременно увеличивают подачу топлива форсункой и увеличивают момент двигателя, осуществляют реверс вращения выходного вала за счет того, что останавливают двигатель, изменяют направление вращения стартер-генератора и одновременно вместе с ним кривошипа, изменяют чередование работы силовых цилиндров на противоположное, которое нужно при реверсе, подают топливо в форсунки и открывают и впускные клапаны для воздуха под давлением от турбокомпрессора и закрывают выпускные клапаны при выпуске горячих газов по программам, реализуемым электронным блоком управления в соответствии с чередованием силовых цилиндров при реверсе, во избежание чрезмерного и неравномерного износа отдельных силовых цилиндров, работающих в одиночном режиме при спусках, торможениях, движении с малой скоростью и в городе, на остановках на перекрестках, их автоматически чередуют во время работы по программе с помощью электронного блока управления.

Поставленная цель достигается тем, что аксиально-поршневой двигатель с кривошипом, содержащий цилиндры, головки цилиндров, поршни, шатуны, наклонный диск с плоской несущей поверхностью, выходной вал, толкатели, взаимодействующие с наклонным диском, отличается тем, что он согласно изобретению снабжен системой наддува, аккумулятором, стартер-генератором, кольцевым гидравлическим аккумулятором высокого давления топлива с датчиком и задатчиком давления, топливным насосом высокого давления, форсунками для подачи топлива под высоким давлением с электромагнитным управлением или пьезоприводом, индивидуальными газораспределительным механизмами с клапанами для выпуска отработанных газов и для впуска воздуха с электромагнитным управлением по числу силовых цилиндров, электронным блоком управления, качающейся шайбой с секторами по числу силовых цилиндров, толкателями цилиндрической формы, сектора по числу силовых цилиндров с толкателями цилиндрической формы соединены жестко с качающейся шайбой на шаровой опоре под углом к качающейся шайбе, взаимодействующей с шаровым шарниром, жестко соединенным с блоком силовых цилиндров, толкатели цилиндрической формы расположены в секторах в отверстиях цилиндрической формы с возможностью колебательного движения вокруг центральных осей толкателей цилиндрической формы, расположенных под углом к осям силовых цилиндров и соединенных со штоками силовых цилиндров шарнирно, причем цилиндрический шарнир для каждого штока каждого силового цилиндра установлен в рамке, жестко соединенной со штоком и поршнем, на валу рамки, перпендикулярно центральной оси штока каждого силового цилиндра с возможностью перемещения по валу вдоль его оси, перпендикулярной центральной оси штока с поршнем, а также с возможностью штока с поршнем колебаться вокруг своей центральной оси, кольцевой гидравлический аккумулятор высокого давления соединен гидравлически на входе с топливным насосом высокого давления, соединен на выходе с клапаном регулирования высокого давления, соединен механически с блоком силовых цилиндров и гидравлически с форсунками с электромагнитным или пьезоэлектрическим управлением по числу силовых цилиндров, которые установлены на головках силовых цилиндров, индивидуальные газораспределительные механизмы каждого силового цилиндра с электроклапанами для выпуска отработанных газов соединены с газовой турбиной для привода турбокомпрессора системы наддува и через электроклапаны для впуска воздуха под давлением от турбины турбокомпрессора через интеркулер соединены с каждым силовым цилиндром и установлены на блоке силовых цилиндров, электронный блок управления соединен электрически с форсунками системы подачи топлива с электромагнитным управлением и с электромагнитным приводом клапанов индивидуальных газораспределительных механизмов стартер-генератором, аккумулятором, стенки поршня и стенки цилиндра или только стенки поршня в нем покрыты слоем анодированного пористого алюминия, армированного кремнием.

Устройство, реализующее способ, представлено на фиг. 1 - фиг. 6.

Предлагаемый АПД отличается от предшествующих АПД и представляет новый класс двигателей, отличающийся более широкими возможностями.

На фиг. 1 показано продольное сечение дизельного АПД без регулирования с одним кривошипом и одним блоком СЦ с разворотом сечения одного из цилиндров при 3-, 5-, 7-цилиндровой схеме до продольного сечения другого СЦ;

на фиг. 2 показан кольцевой гидравлический аккумулятор для подачи топлива;

на фиг. 3 показана часть кольцевой система наддува с турбокомпрессором, интеркулером и газовой турбиной в центре;

на фиг. 4 показан СЦ, выполненный с поршнями с применением сплава пористого анодированного алюминия, армированного кремнием (SIRPA);

на фиг. 5 показан схематично газораспределительный механизм (ГРМ) с электроклапанами (ЭК), соединенный с одним СЦ;

на фиг. 6 показан схематично газораспределительный механизм (ГРМ) с ЭК, соединенный с другим СЦ.

Дизельный АПД по фиг. 1 содержит: вал 1 АПД на аксиально-упорных подшипниках 2 в крышке 3; топливный насос высокого давления 4 (ТНВД 4), балансирное устройство 5 для компенсации неуравновешенных нагрузок при работе АПД; подкачивающий топливный насос 6 (ТПН 6), соединенный гидравлически с ТНВД 4 (гидравлическая связь не показана); стартер-генератор 7 (СГ 7), соединенный с валом 1 кинематически и с аккумулятором 8 электрически; кривошип 9, жестко соединенный с валом 1, наклонная плоская поверхность которого взаимодействует с плоской поверхностью качающейся шайбы (КШ) при вращении кривошипа 9; содержит КШ 10 с шаровой поверхностью 11 механически соединенной с ней, взаимодействующей с шаровой опорой 12; шаровая опора 12 установлена неподвижно на цилиндрической вставке 13 между СЦ, жестко соединяющей все неподвижные СЦ между собой и фиксирующей шаровую опору 12; цилиндрический выступ 14 входит в проточку 15; кривошип 9 имеет вырез 16 заданной формы для балансировки; сектора 17, 18 (всего по числу СЦ (сектор 18 развернут до продольного сечения первого СЦ)) жестко соединенные с КШ 10 под углом, большим или равным углу кривошипа 9, в которых выполнены цилиндрические отверстия; по цилиндрическим отверстиям вдоль их осей перемещаются в секторах 17, 18 цилиндрические толкатели 19, 20; шарниры 21, 22, которые соединяют толкатели 19, 20 и штоки СЦ, выполнены с возможностью аксиального перемещения на валу относительно середины этого вала в рамке и расположенного перпендикулярно оси штока и СЦ (рамка фиг. 1 не показана отдельной позицией); рамки с шарнирами 21, 22 (всего шарниров по числу СЦ) жестко соединены со штоками 23, 24; шарниры 21, 22 соединяют толкатели 19, 20 со штоками 23, 24 жесткими креплениями 25, 26 с возможностью углового перемещения штоков 23, 24 с поршнями 27, 28 относительно продольных осей; штоки 23, 24 соединены механически с поршнями 27, 28, верхняя часть которых покрыта пористой кварцевой пленкой, выступающей в роли теплоизолирующего слоя для СЦ 29, 30, стенки которых также покрыты анодированным алюминием, армированным кремнием для прочности (SIRPA - высокотеплоизолирующий и теплоотводящий материал, который быстро нагревается, но также быстро охлаждается, а в силу малой его теплоемкости меньше теряется тепла с охлаждающей жидкостью, и повышается эффективность преобразования тепловой энергии газов в механическую); СЦ 30 развернут до продольной плоскости, в которой находится СЦ 29 для иллюстрации работы АПД при 3, 5, 7 цилиндровой схеме силового блока, которая применяется для АПД, работающих по четырехтактному циклу; СЦ в виде СЦ 29, 30 соединены с блоками газораспределительных механизмов 31, 32 (в ГРМ 31, 32 не показаны электроклапанаы, и они изображены схематически) с электромагнитным управлением клапанами выпуска газов и впуска воздуха; содержит по числу СЦ форсунки 33, 34 для впрыска топлива типа CR с электромагнитным управлением (соленоиды или пьезопривод, работающие в системе подачи топлива типа Коммон Рэйл), которые соединены гидравлически с кольцевым гидравлическим аккумулятором высокого давления 35 (КГАВД 35), соединенный с ТНВД 4 с подкачивающим насосом ТПН 6; КГАВД 35 в свою очередь соединен механическим креплением 36 с СЦ 29 и 30 всеми другими СЦ при 3-, 5-, 7-цилиндровой схеме силового блока; электронный блок управления 37 (ЭБУ 37) для управления, в частности, электро- или пьезоприводом всех форсунок и электромагнитными клапанами всех ГРМ 31, 32 по требуемым программам;

дизельный АПД по фиг. 2 содержит: КГАВД 35, который соединен на выходе с клапаном регулирования высокого давления 38 (КРВД 38), а на входе - с топливным насосом высокого давления 4 (ТНВД 4) и подкачивающим насосом 6 (ТПН 6), соединен с форсунками 33, 34 с электромагнитным управлением и датчиком давления 39;

дизельный АПД по фиг. 3 содержит воздухозаборник 40, соединенный на выходе трубопроводом 41 со входом турбины воздушного турбокомпрессора (ТК); воздушный турбокомпрессор 42 (ТК 42) соединен с газовой турбиной 43 механически валом, на которую подаются от СЦ 29, 30 через ГРМ 31, 32 все отходящие газы для ее привода с высокой температурой и высокой кинетической энергией, которые приводят газовую турбину 43 и турбокомпрессор 42 во вращение с высокой частотой; интеркулер 44 для охлаждения воздуха, подаваемого в СЦ 29, 30, соединен с выходом ТК 42 трубопроводом и через трубопроводы и впускные клапаны ГРМ 31, 32 СЦ (всего число ГРМ равно числу цилиндров) со всеми СЦ 29, 30;

дизельный АПД по фиг. 4 содержит СЦ 29 с поршнем 27 (так выполнены все поршни) который покрыт слоем 45 пористого анодированного алюминия, армированного кремнием, который позволяет в процессе горения сократить потери тепла за счет низкой теплоемкости, высокой степени теплоизоляции и теплопроводности, позволяющим быстро нагреть тело и быстро его охладить (реализовать так называемые термокачели) и сохранить тепловую энергию благодаря низкой теплоемкости во время преобразования его в механическую работу; СЦ 29 соединен с ГРМ 31 и каждый СЦ со своим ГРМ;

дизельный АПД по фиг. 5 содержит ГРМ 31 (ГРМ показан схематично в виде двух электромагнитных клапанов (ЭК), которые представляют собой электромагнитные соленоиды для перемещения впускных и выпускных клапанов) с ЭК 46 для выпуска газов и 47 для впуска свежего заряда после наддува или непосредственно из атмосферы в СЦ 29, трубопровод с ЭК 47 для впуска свежего заряда;

дизельный АПД по фиг. 6 содержит ГРМ 32 (ГРМ показан схематично в виде двух ЭК, которые представляют собой электромагнитные соленоиды для перемещения впускных и выпускных клапанов) с ЭК 48 для выпуска газов и 49 для впуска свежего заряда после наддува или непосредственно из атмосферы в СЦ 30, трубопровод с ЭК 49 для впуска свежего заряда.

Рабочий цикл Дизеля осуществляется при повороте кривошипа 9 на валу на 720 градусов и при этом реализуется та же совокупность тактов и в той же последовательности, что в ДВС с КТТТМ.

Работа устройства, реализующего способ

Рабочий цикл дизельного двигателя осуществляется при повороте кривошипа 9 на валу на 720 градусов, и при этом реализуется та же совокупность тактов и в той же последовательности, что в ДВС с КШМ. Для обеспечения равномерности чередования вспышек в четырехтактном АПД нужно иметь нечетное количество цилиндров.

При этом порядок работы через один по ходу вращения вала. Для пятицилиндрового АПД 1-3-5-2-4, для семицилиндрового 1-3-5-7-2-4-6 и т.д.

Рассмотрим работу по циклу Дизеля.

Впуск

Первый такт впуска свежего воздуха осуществляется через ЭК 47 и 49 ГРМ 31, 32 с индивидуальным электроприводом для клапанов впуска воздуха и управляется от электронного блока управления ЭБУ 37 и реализуется с наддувом или без наддува.

Специально устройство для наддува показано на фиг. 3. Оно выполнено в виде газовой турбины 43, вращающейся от энергии отходящих газов, которая приводит в движение турбину 42 для нагнетания воздуха.

Отличием здесь является то, что отходящие газы с одной стороны и воздух под давлением проходят через ЭК, соответственно через выпускные ЭК 46, 48 для газов и впускные ЭК 47, 49 для воздуха.

Турбонаддув, который реализуется только совместно с электромагнитным управлением ЭК впуска и ЭК выпуска снижает механические потери, поскольку при впуске способствует перемещению поршней к НМТ под давлением, развиваемым ТК 42. Кроме того, воздух, который поступает в воздухозаборник 40 в воздушный турбокомпрессор 42 и из него в соответствующие СЦ, проходит через интеркулер 44.

В турбокомпрессоре 42 воздух нагревается при его сжатии. Интеркулер 44 охлаждает воздух, поступающий в СЦ 29 и 30 уже из турбокомпрессора 42.

При этом повышается его плотность и масса, что необходимо для эффективного сжигания топлива, и его количество определяет мощность двигателя.

При турбонаддуве повышается механический к.п.д., поскольку компенсируются частично за счет давления воздуха на поршень усилия по перемещению поршней СЦ от ВМТ до НМТ.

ГРМ 31, 32 с индивидуальным электроприводом для клапанов впуска воздуха ЭК 47, 49 и выпуска отработанных газов ЭК 46, 48 позволяет управлять фазами газообмена и дополнительно снижать механические потери, а также регулировать давление наддува.

Сжатие

Второй такт сжатия воздуха до степеней сжатия 16-20 и более в режиме дизельного двигателя при закрытых клапанах ЭК 46, 47 и ЭК 48, 49 для ГРМ 31, 32 (соответственно для ЭК всех ГРМ по числу СЦ во время реализации в них такта сжатия). На тактах сжатия воздуха в СЦ 29, 30 и выпуска газов из СЦ 29, 30 поршни 27, 28 перемещаются из НМТ в ВМТ вдоль осей СЦ, а толкатели 19, 20 перемещаются вверх к оси СЦ 30 и обеспечивают перемещение штоков 23, 24, жестко присоединенных креплениями 25, 26 к поршням 27, 28, по центральным осям СЦ 29, 30.

Для реализации такта сжатия закрываются выпускные и впускные клапаны (соответственно ЭК 46 и 48; ЭК 47 и 49) для ГРМ 31 и 32 с помощью индивидуального электропривода. Воздух сжимается в СЦ 29, 30 и нагревается по мере приближения поршней 27, 28 к ВМТ.

Наддув увеличивает количество (массу) воздуха для сгорания. Можно с помощью ЭК (электроклапаны условно показаны раздельно от механических клапанов, которые они приводят в движение) регулировать температуру газов, которые подаются на газовую турбину 43. Эта турбина приводит во вращение турбокомпрессор 42, нагнетающий воздух под давлением через интеркулер 44 во все силовые цилиндры АПД. Величину давления наддува регулируют временем открытия ЭК 47, 49.

При более раннем открытии этих ЭК на газовую турбину 43 поступают газы с более высокой температурой и кинетической энергией. Частота вращения турбокомпрессора 42 увеличивается, давление наддува возрастает. Растет мощность ДВС.

Это позволяет увеличивать момент двигателя и использовать больший момент при обгоне или при преодолении подъемов.

С отходящими газами уносится порядка 15% тепла, создаваемого при сгорании газов. Они идут на привод газовой турбины 43 компрессора ТК 42.

Рабочий ход

На рабочем ходу и третьем такте цикла Дизеля поршни 27, 28 достигают НМТ в конце рабочего хода.

В ВМТ происходит впрыскивание топлива (ОВ) через форсунки 33, 34. ТНВД 4 получает топливо от ТИН 6 и подает его под высоким давлением в КГАВД 35. От КГАВД 35 топливо подается в форсунки 33, 34, которые срабатывают в последовательности, задаваемой ЭБУ 37 для нечетного числа СЦ. Причем форсунки реализуют любой требуемый закон впрыска для ОВ. На рабочем ходу поршень движется от ВМТ к НМТ.

В это время происходит преобразование поступательного движения поршней 27 или 28 (любого из поршней силового блока с нечетным числом СЦ) во вращательное движение выходного вала 1.

Поступательное движение поршней 27, 28 передается через штоки 23 или 24, соединенные с поршнями жестко устройствами 25, 26, через шарниры 21, 22, расположенные на валах в вилках, жестко соединенных со штоками 23, 24 (фиг. 1). Поступательное движение поршней 27,28 передается КШ 10 через толкатели 19, 20 цилиндрической формы (всего по числу поршней и СЦ), которые перемещаются в каналах сегментов 17, 19 (число сегментов равно числу СЦ), жестко соединенных с КШ 10, соединенной с шаровой поверхностью 11, с которой взаимодействует шаровая опора 12, механически жестко соединенная с блоком СЦ кольцевой вставкой 13.

Колебательное движение КШ 10 преобразуется во вращательное движение кривошипа 9.

Толкатели 19, 20 порождают касательные усилия, которые уравновешиваются силами, направленными в противоположном направлении и создающими момент на кривошипе 9. Этот кривошип 9 как бы непрерывно «соскальзывает» с КШ 10. В результате вал 1 АПД приходит во вращение.

Давление при сжигании топлива в ВМТ выше давления компрессии в конце такта сжатия и зависит от количества топлива, подаваемого в камеру сгорания в разогретой на такте сжатия топливовоздушной смеси, от количества воздуха в камере сгорания, а также от угла опережения впрыска при подаче топлива.

Если эти параметры постоянны, то и величина начального давления при сжигании постоянна и равна 70…80 МПа и более в зависимости от мощности АПД.

Затем давление начинает падать по мере движения поршня от ВМТ к НМТ и средняя величина давления газов при сгорании в СЦ на рабочем ходу на порядок меньше.

Поршни и камеры сгорания (фиг. 4) покрыты кварцевой пленкой 45. Это позволяет реализовать так называемые термокачели, когда температура стенок камеры сгорания СЦ изменяется во время цикла и их температура следует за температурой газов.

Это позволяет сохранить тепловую энергию газов для преобразования ее в механическую у ВМТ, так как анодированный пористый алюминий, армированный кремнием (кварцевая пленка), обладает малой теплопроводностью и малой теплоемкостью и вследствие этого быстро нагревается и быстро охлаждается и отводит меньше тепла через систему охлаждения.

И второе. При всасывании поступающий в СЦ воздух не нагревается, ибо не нагреваются до высокой постоянной температуры стенки СЦ в силу малой теплоемкости анодированного пористого алюминия и быстрого отвода этой малой порции тепла. Это позволяет в СЦ подать максимальное количество воздуха для сжигания топлива.

Тепло, образованное при сжигании топлива в большом количестве, преобразуется в механическую работу за счет теплоизоляции поршня и стенок камеры сгорания с помощью анодированного пористого алюминия, армированного кремнием (СИРПА).

В данном случае технология (СИРПА), при которой реализуются так называемые термокачели в камере сгорания и СЦ, применяется специально для того, чтобы лучше использовать тепловую энергию газов при сгорании.

Выпуск

После этого с помощью индивидуального электропривода открывается выпускной ЭК 46 или 48 в ГРМ 31, 32 и начинается четвертый такт выпуск отработанных газов с высокой температурой и высокой кинетической энергией или в атмосферу, или на привод турбины турбонаддува от каждого из СЦ 29 или 30 (всего по числу СЦ в силовом блоке). Так реализуются все четыре такта дизельного цикла в АПД.

Запуск АПД

Пуск АПД с ГРМ 31, 32 с ЭК позволяет обходиться меньшим аккумулятором 8.

При пуске открывают одновременно все ЭК 46, 47 и ЭК 48, 49 (показана на двух СП) для впуска воздуха и выпуска отработанных газов во всех СЦ 29, 30 с помощью ГРМ 31, 32 для каждого СЦ 29, 30 с индивидуальными ЭК 46, 47 для СЦ 29 и ЭК 48, 49 для СЦ 30.

Раскручивают с помощью СГ 7 маховик в виде наклонного диска или кривошипа 9 при отсутствии компрессии в СЦ 29, 30 (всего по числу СЦ в АПД) до заданной частоты вращения, запасают необходимое для запуска двигателя количество кинетической энергии, включают в работу клапаны впуска воздуха и выпуска отработанных газов ЭК 46, 47 и ЭК 48, 49 ГРМ 31 и 32 по заданному четырехтактному циклу.

Включают в работу 36 форсунки для впрыска топлива по заданному четырехтактному циклу для АПД с непосредственным впрыском топлива в требуемой последовательности (например, для пятицилиндрового АПД в последовательности 1-3-5-2-4), производят запуск двигателя и переводят СГ7 на работу в генераторном режиме.

Запуск АПД осуществляется с помощью стартер-генератора 7 (СГ 7) от аккумулятора 8 по команде с ЭБУ 37. Кривошип 9 приходит во вращение. При взаимодействии его с КШ10 на шаровой опоре 11 и шаровом шарнире 12 происходит преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное движение поршней 27, 28 (всего число поршней равно числу СЦ).

Для обеспечения равномерности чередования вспышек в четырехтактном АПД нужно иметь нечетное количество цилиндров. При этом порядок работы через один по ходу вращения вала. Для трехцилиндрового 1-3-2-1-3-2; пятицилиндрового АПД 1-3-5-2-4-1; для семицилиндрового 1-3-5-7-2-4-6-1 и т.д. Соответственно при запуске в такой последовательности же подается топливо через форсунки 33, 34. Для этого необходимо синхронизировать частоту вращения кривошипа 9 с подачей топлива через форсунки 33, 34 и управление ЭК в ГРМ 31, 32 по крайней мере начиная с какой-то частоты вращения. Датчики частоты вращения для этой цели на устройстве не показаны. Таким образом, АПД позволяет уменьшить механические потери.

При пуске важно иметь СГ7 с минимальной мощностью, чтобы тратить на запуск минимум энергии, так как это позволяет снизить требования к аккумуляторам, снизить их массу или использовать их энергию на другие нужды. П