Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/050541
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to internal combustion engines. The engine is provided with a pneumatic chamber and a hydraulic chamber, which are arranged in an engine cylinder, hydraulic high-pressure and low-pressure accumulators, a converter of hydrostatic energy into mechanical energy which is equipped with a power take-off shaft, systems for controlling pneumatic and hydraulic valves of mechanisms for preparing and supplying a combustible mixture, and for igniting the latter and ejecting exhaust gases, and also for moving a working fluid along a closed circuit between the basic working elements of the engine. A variant embodiment of the engine is described, said engine comprising a stator in which a working cavity contains a membrane dividing the working cavity of the stator into a pneumatic working chamber and a hydraulic working chamber. The invention ensures an increase in the reliability of operation of the engine, an increase in fuel use efficiency and a reduction in emissions into the environment.

Inventors:
SAMKO, Ivan (ul. Buznizkogo, 1-22Mironovk, Kievskaya obl. ., 08800, UA)
САМКО, Иван Александрович (ул. Бузницкого, 1-2 Мироновка, Киевская обл, Mironovka, 08800, UA)
SAMKO, Svyatoslav (ul. Buznizkogo, 1-22Mironovk, Kievskaya obl. ., 08800, UA)
Application Number:
UA2011/000092
Publication Date:
April 19, 2012
Filing Date:
October 07, 2011
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SAMKO, Ivan (ul. Buznizkogo, 1-22Mironovk, Kievskaya obl. ., 08800, UA)
САМКО, Иван Александрович (ул. Бузницкого, 1-2 Мироновка, Киевская обл, Mironovka, 08800, UA)
SAMKO, Svyatoslav (ul. Buznizkogo, 1-22Mironovk, Kievskaya obl. ., 08800, UA)
International Classes:
F02B71/00; F01B11/08
Foreign References:
RU2018004C11994-08-15
DE3800099A11988-08-04
JPS53117104A1978-10-13
SU1588887A11990-08-30
Download PDF:
Claims:
(57) Формула изобретения:

1. Двигатель внутреннего сгорания, состоящий из: статора, имеющего внутренний цилиндрический рабочий объем (1), в котором расположено поршень (4) для выполнения возвратно-поступательных движений, а также системы подготовки и подачи горючей смеси, ее воспламенения и отвода отработанных газов, расположенных в крышке цилиндра (головке статора), который отличается тем, что поршень (4) разделяет объем рабочего цилиндра (1) на две части (камеры) - пневматическую (24) и гидравлическую (23), при этом пневмокамера цилиндра (24) ограничена одной частью стенок цилиндра (1), его крышкой (головкой статора) (2) и внешней стороной торца поршня (4), а гидрокамера цилиндра (23) ограничена внутренней стороной торца поршня (4) и другой частью стенок цилиндра (1), соединена выпускным клапаном (21) с гидроаккумулятором высокого давления (15), а впускным клапаном (22) - с гидроаккумулятором низкого давления (16), другое (выпускное) отверствие гидроаккумулятора высокого давления (15) соединено патрубком (магистралью высокого давления) (11) с впускным отверствием преобразователя гидростатической энергии в механическую (13), а выпускное отверствие указанного преобразователя энергии (13) соединено другим патрубком (магистралью низкого давления) (12) с другим (впускным) отверствием гидроаккумулятора низкого давления (16), в результате чего создается замкнутый круг для систематического перетекания рабочей жидкости во время работы двигателя, на гидромагистралях высокого (11) и низкого (12) давления установлено датчики системы управления (10) пневмоклапанами механизмов впуска горючей смеси (7), ее воспламенения (14) и отвода отработанных газов (9), каждый из гидроаккумуляторов (15, 16) состоит из пневматической (19, 20) и гидравлической (25, 26) рабочих камер, разделенных между собой эластичными перегородками (17, 18), обеспечивающих поддержание в каждом из них заданного рабочего давления (соответственно высокого или низкого), преобразователь гидростатической энергии в механическую (13) оборудовано главным валом отбора мощности двигателя.

2. Двигатель внутреннего сгорания, состоящий из: статора, имеющего внутреннюю рабочую полость (27), в которой расположено мембрану (28) для выполнения возвратно-поступательных (колебательных) движений, а также системы подготовки и подачи горючей смеси, ее воспламенения и отвода отработанных газов, ' расположенных в крышке (головке) статора (2), который отличается тем, что мембрана (28) разделяет объем рабочей полости статора (27) на две части (камеры) - пневматическую (24) и гидравлическую (23), при этом пневмокамера (24) рабочей полости статора (27) ограничена одной частью стенок рабочей полости статора (27), его крышкой (головкой) статора (2) и внешней стороной мембраны (28), а гидрокамера (23) рабочей полости статора (27) ограничена внутренней стороной мембраны (28) и другой частью стенок рабочей полости статора (27), соединена выпускным клапаном (21) с гидроаккумулятором высокого давления (15), а впускным клапаном (22) - с гидроаккумулятором низкого давления (16), другое (выпускное) отверствие гидроаккумулятора высокого давления (15) соединено патрубком (магистралью высокого давления) (11) с впускным отверствием преобразователя гидростатической энергии в механическую (13), а выпускное отверствие указанного преобразователя энергии (13) соединено другим патрубком (магистралью низкого давления) (12) с другим (впускным) отверствием гидроаккумулятора низкого давления (16), в результате чего создается замкнутый круг для систематического перетекания рабочей жидкости во время работы двигателя, на гидромагистралях высокого (11) и низкого (12) давления установлено датчики системы управления (10) пневмоклапанами механизмов впуска горючей смеси (7), ее воспламенения (14) и отвода отработанных газов (9), каждый из гидроаккумуляторов (15, 16) состоит из пневматической (19, 20) и гидравлической (25, 26) рабочих камер, разделенных между собой эластичными перегородками (17, 18), обеспечивающих поддержание в каждом из них заданного рабочего давления (соответственно высокого или низкого), преобразователь гидростатической энергии в механическую (13) оборудовано главным валом отбора мощности двигателя.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п. п. 1 и 2, который отличается тем, что у выпускном клапане (21), установленном между гидрокамерой (23) цилиндра (1) или рабочей полости статора (27) и гидроаккумулятором высокого давления (15), введено дополнительный регулятор задержки (паузы) его закрытия.

4. Двигатель внутреннего сгорания по п. п. 1, 2 и 3, который отличается тем, что во впускнЪм клапане (22), установленом между гидрокамерой (23) цилиндра (1) или рабочей полости статора (27) и гидроаккумулятором низкого давления (16), введено дополнительный регулятор задержки (паузы) его закрытия.

5. Двигатель внутреннего сгорания по п. п. 1, 2 и 3, который отличается тем, что в него введено дополнительный управляющий перепускной клапан, установленный между гидрокамерой (23) цилиндра (1) или рабочей полости статора (27) и гидроаккумулятором низкого давления (16).

6. Двигатель внутреннего сгорания по п. п. 1, 2, 3, 4 и 5, который отличается тем, что в состав двигателя входит один или более чем один робочий цилиндр (1) или рабочая полость статора (27) в комплекте из соответствующим количеством поршней (1) или мембран (28), гидроаккумуляторов высокого (15) и низкого (16) давления, оборудованных соответствующими впускными (22) и выпускными (21) клапанами и соединенных гидромагистралями высокого (11) и низкого (12) давления с одним или несколькими преобразователями гидростатической энергии в механическую (13) через специальную систему клапанов (10, 29), обеспечивающих синхронизацию перетекания рабочей жидкости, а также подачу горючей смеси (сжатого воздуха), ее воспламенения и отвода отработанных газов.

7. Двигатель внутреннего сгорания по п. п. 1, 2, 3, 4, 5 и 6, который отличается тем, что параметры рабочего давления от компрессора (6) в магистрали (5) подачи горючей смеси (для карбюраторных двигателей) задаются в пределах от 0,7 до 1,5 МПа, а сжатого воздуха (для дизельных двигателей) - от 2,0 до 3,0 МПа.

8. Двигатель внутреннего сгорания по п. п. 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, который отличается тем, что параметры рабочего давления в эластичной оболочке (пневмокамере) (19) гидроаккумулятора высокого давления (15) задаются большими, чем параметры рабочего давления, создаваемого компрессором (6) в магистрали (5) подачи горючей смеси (сжатого воздуха), но меньшими, чем давление рабечого тела во время рабочего хода поршня (1) или мембраны (28)), а давление в эластичной оболочке (пневмокамере) (20) гидроаккумулятора низкого давления (16) задаются в пределах от 0,11 до 0,20 МПа.

9. Двигатель внутреннего сгорания по п. п. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8, который отличается тем, что в него введено систему (10), которая выдает сигнал на открытие выпускного пневмоклапана (9) для отвода выхлопных газов из пневмокамеры (24) цилиндра (1) или рабочей полости статора (27) при достижении заданной минимальной разницы давления рабочей жидкости в магистралях высокого (11) и низкого (12) давления на входе и выходе преобразователя гидростатической энергии в механческую (13).

10. Двигатель внутреннего сгорания по п. п. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8, который отличается тем, что в него введено систему (10), которая выдает сигнал на открытие выпускного пневмоклапана (9) для отвода выхлопных газов из пневмокамеры (24) цилиндра (1) или рабочей полости статора (27) при достижении заданной минимальной разницы давления рабочей жидкости в гидрокамере (25) гидроаккумулятора низкого давления (16) и гидрокамере (23) цилиндра (1) или рабочей полости статора (27).

11. Двигатель внутреннего сгорания по п. п. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10, который отличается тем, что в состав двигателя входит два или больше однотипных рабочих цилиндра (1) или рабочих полостей статора (27) в комплекте с соответствующим количеством поршней (1) или мембран (28), гидрокамеры (23) которых оборудовано выпускными (21) и впускными (22) клапанами, соединенными гидромагистралями соответственно высокого (11) и низкого (12) давления с одним или несколькими преобразователями гидростатической энергии в механическую (13) через специальную систему клапанов (10, 29), обеспечивающих синхронизацию систематического поочередного перетекания рабочей жидкости от гидрокамеры (23) одного рабочего цилиндра (1) или рабочей полости статора (27) через специальную систему клапанов (10, 29) к одному или нескольким преобразователям гидростатической энергии в механическую (13), а от него (их) - к гидрокамере (23) другого рабочего цилиндра (1) или рабочей полости статора (27), а также синхронизацию поочередной подачи горючей смеси (сжатого воздуха) к пневмокамере (24) соответствующего рабочего цилиндра (1) или рабочей полости статора (27), ее воспламенения (14) и отвода выхлопных газов (9).

Description:
Двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к отрасли двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания, преобразующим тепловую енергию в механическую.

В качестве ближайшего аналога принято традиционный поршневой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (далее - традиционный ДВС), основными рабочими элементами которого являются цилиндр, поршень и кривошипно-шатунный механизм. Химическая энергия топлива в ближайшем аналоге превращается в механическую энергию в результате сгорания горючей смеси в камере сгорания, образованной стенками цилиндра и торцом поршня. Под воздействием расширяющегося рабочего тела поршень внутри цилиндра совершает возвратно-поступательное движение, которое превращается во вращательное с помощью кривошипно-шатунного механизма (Двигатели внутреннего сгорания. Том 2. Конструкции и расчёт. Под. ред. проф. А. С. Орлина. 535 стр. Издательство: МАШГИЗ, Москва 1955 г.).

Недостатком ближайшего аналога является сложность изготовления деталей и узлов кривошипно-шатунного механизма, высокий уровень металлоемкости, трения и шумов, низкий к.п.д. из-за больших потерь енергии, угроза заклинивания двигателя по мере износа трущихся деталей и нарушений в системе смазки двигателя.

Заданием изобретения является совершенствование конструкции традиционного поршневого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания путем замены сложного и металлоемкого кривошипно-шатунного механизма новыми устройствами и робочими элементами, обеспечивающими надежный и эффективный способ преобразования химической энергии топлива в механическую.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в двигатель, состоящий из статора, имеющего внутренний цилиндрический рабочий объем, в котором размещен поршень для выполнения возвратно-поступательных движений, а также системы подготовки и подачи горючей смеси, ее воспламенения и выброса отработанных газов, размещенные в крышке цилиндра (головке статора), предлагается ввести ряд новых элементов, таких как пневматическая и гидравлическая камеры цилиндра, гидроаккумуляторы высокого и низкого давления из соответствующими клапанами, преобразователь гидростатической енергии в механическую, оборудованный валом отбора мощности двигателя, а также системы управления клапанами механизмов подачи горючей смеси, ее воспламенения и выброса отработанных газов, перемещения рабочей жидкости по замкнутому кругу между основными рабочими элементами двигателя, что обеспечивает повышение к.п.д. двигателя в целом.

В предлагаемой конструкции двигателя поршень (4), оборудованный уплотнительными кольцами (3), разделяет объем рабочего цилиндра (1) на две части (камеры) - пневматическую (24) и гидравлическую (23). При этом пневмокамера цилиндра (24) ограничена одной частью стенок цилиндра, его крышкой (головкой статора) (2) и внешней стороной торца поршня (4). А гидрокамера цилиндра (23) ограничена внутренней стороной торца поршня (4) и другой частью стенок цилиндра (1). Она соединена через выпускной клапан (21) с гидроаккумулятором высокого давления (15), а через впускной клапан (22) - с гидроаккумулятором низкого давления (16). Другое (выпускное) отверствие гидроаккумулятора высокого давления (15) соединено патрубком (магистралью высокого давления) (11) с впускным отверствием преобразователя гидростатической енергии в механическую (13), а выпускное отверствие указанного преобразователя енергии соединено другим патрубком (магистралью низкого давления) (12) с другим (впускным) отверствием гидроаккумулятора низкого давления (16). В результате создается замкнутый круг для систематического перетекания рабочей жидкости во время работы двигателя по цепи: гидрокамера цилиндра (23) - гидроаккумулятор высокого давления (15) - преобразователь гидростатической енергии в механическую (13) гидроаккумулятор низкого давления (16) - гидрокамера цилиндра (23). На гидромагистралях высокого (11) и низкого (12) давления установлены датчики системы управления (10) пневмоклапанами механизмов подачи горючей смеси (7), ее воспламенения (14) и выброса отработанных газов (9), а также перетекания рабочей жидкости по замкнутому кругу между указанными выше предложенными новыми элементами двигателя. Каждый из гидроаккумуляторов (15, 16) состоит из пневматической (19, 20) и гидравлической (26, 25) рабочих камер, разделенных эластичной перегородкой (19, 20) и обеспечивающих поддержание в каждом из них заданного рабочего давления (соответственно высокого или низкого). Преобразователь гидростатической енергии в механическую (13) оборудован главным валом отбора мощности двигателя (не показано). Пример такой конструкции изображен на чертеже (фиг. 1) и изложен в пункте 1 формулы изобретения.

Как вариант, предлагается также конструкция двигателя, в котором полый рабочий объем статора (27) разделяется на пневматическую (24) и гидравлическую (23) рабочие камеры посредством установления в нем эластичной перегородки (мембраны) (28), что изображено на схеме (фиг. 2) и изложено в пункте 2 формулы изобретения. С целью упрощения чертежа на нем не показано деталей крепления между собой составных частей корпуса статора (27).

В дальнейшем, с целью упрощения изложения сути изобретения, предлагаемая конструкция и принцип работы будут рассмотрены более детально на примере двигателя с цилиндром (1) и поршнем (4). Но все изложенное в равной мере характеризует и двигатель, в котором вместо них используются полый рабочий объем статора (27) и мембрана (28). Следует отметить, что мембрана (28) должна изготовливаться из термостойких материалов, которые обеспечивали бы ее эластичность при длительной эксплуатации. Удовлетворению этого требования способствует постоянный контакт внутренней стороны мебраны (28) с робочей жидкостью гидрокамеры (23) полости статора (27).

Взаимодействие всех узлов и агрегатов двигателя обеспечивает систематическое наполнение пневмокамеры цилиндра (24) приготовленной горючей смесью, ее сгорание и передачу силовых импульсов от расширяющегося рабочего тела в пневмокамере (24) через поршень (4) к рабочей жидкости гидрокамеры цилиндра (23), от нее, через выпускной клапан (21) и гидроаккумулятор высокого давления (15), к преобразователю гидростатической енергии в механическую (13), и соответственно к главному валу отбора мощности двигателя (не показано). После завершения рабочего хода обеспечивается удаление выхлопных газов из пневмокамеры двигателя (24) при открывании выпускного пневмоклапана (9) и поступлении рабочей жидкости в гидрокамеру цилиндра (23) через впускной клапан (22) от гидроаккумулятора низкого давления (16).

Система подготовки и подачи топлива в предлагаемом двигателе также несколько отличается от использующейся в традиционных ДВС. Главное отличие состоит в том, что подготовка и сжатие до необходимого заданного уровня давления горючей смеси (для карбюраторных двигателей) или воздуха (для дизельных и инжекторных двигателей) производится в специальном устройстве (компрессоре) (6) до подачи их в пневмокамеру цилиндра (24).

Вместе с тем, воспламенение горючей смеси с помощью свечи зажигания

(для карбюраторных и инжекторных двигателей) (14) или впрыска топлива через форсунку (для дизельных двигателей) может оставаться практически таким же (с учетом применения современных, в том числе электронных, средств управления механизмом воспламенения горючей смеси).

Известно, что степень сжатия горючей смеси ограничена детонационной стойкостью топлива при сгорании. В зависимости от типа и марки топлива (бензин, дизтопливо, газ, спирт, биодизель или их смесь) и соответственно оптимальной степени сжатия горючей смеси или воздуха в пневмокамере цилиндра (24), задаются и параметры давления в гидрокамере (26) и пневмокамере (19) гидроаккумулятора высокого давления (15), а также выпускного (21) клапана гидрокамеры цилиндра (23) и датчиков системы управления пневмоклапанами (10) механизмов подачи горючей смеси (сжатого воздуха) (7), ее воспламенения (14) и выброса отработанных газов (9).

Для современных бензиновых или газовых двигателей коэффициент сжатия горючей смеси составляет от 7 до 12, а воздуха в дизельных - около 25. То есть, перед моментом зажигания давление горючей смеси в пневмокамере цилиндра (24) карбюраторных или инжекторных двигателей будет составлять от 0,7 до 1,2 МПа, а воздуха в дизельных двигателях - около 2,5 МПа. В перспективе детонационная стойкость топлива может повышаться и сжигание горючей смеси бензина, газа, спирта или их смеси может производиться, например, при давлении около 1,5 МПа, а дизельного топлива - до 3,0 МПа (пункт 7 формулы изобретения).

Для исключения перемещения поршня (4) вниз при подаче в пневмокамеру цилиндра (24) сжатой приготовленной горючей смеси или воздуха, в гидроаккумуляторе высокого давления (15), сообщенного с гидрокамерой цилиндра (23) через выпускной клапан (21), необходимо иметь давление не ниже, чем давление подаваемой сжатой горючей смеси или воздуха (то есть, для карбюраторных двигателей - несколько выше 1,2...1,5 МПа, а для дизельных - более 2,5...3,0 МПа) (пункт 8 формулы изобретения).

Открываться указанный выпускной клапан (21) должен только после возгорания горючей смеси при возрастании давления рабочего тела в пневмокамере цилиндра (24) и гидрокамере цилиндра (23) до 4,5...5,0 МПа, то есть, во время рабочего хода поршня (4).

С целью недопущения сокращения рабочего хода поршня (4) в результате преждевременного закрытия указанного выпускного клапана (21) при снижении давления рабочего тела в пневмокамере цилиндра до уровня ниже 1,2...1,5 МПа (для карбюраторных двигателей) или 2,5...3,0 МПа (для дизельных двигателей), предлагается ввести дополнительный регулятор задержки (паузы) закрытия указанного выпускного гидроклапана (21), что отмечено в пункте 3 формулы изобретения. Это позволяет регулировать длительность рабочего хода поршня (4), увеличивая его до момента, когда давление в пневмокамере цилиндра (24) будет превышать атмосферное. Закрываться он может либо автономно (после завершения паузы, на которую он будет отрегулирован), либо принудительно (по команде датчиков системы управления клапанами (10) после достижения заданной минимальной разницы давления рабочей жидкости между магистралями высокого (11) и низкого (12) давления на входе и выходе преобразователя гидростатической энергии в механическую (13) непосредственно перед открытием выпускного пневмоклапана (9) для отвода отработанных газов).

Впускной клапан (22), установленный между гидрокамерой цилиндра (23) и гидроаккумулятором низкого давления (16), будет закрытым в течение тактов впуска горючей смеси (сжатого воздуха) и рабочего хода поршня (4) до момента открытия выпускного пневмоклапана (9) для выброса отрабонанных газов, в результате чего давление в пневмокамере цилиндра (24) станет близким к атмосферному. Независимо от вида используемого топлива, в гидроаккумуляторе низкого давления (16) необходимо иметь рабочее давление несколько выше атмосферного (теоретически в пределах от 0, 11 до 0,20 МПа) (пункт 8 формулы изобретения).

Момент готовности двигателя к завершению полного цикла работы определяется достижением заданной минимальной разницы давлений рабочей жидкости между магистралями высокого (11) и низкого (12) давления на входе и выходе преобразователя гидростатической энергии в механическую (13), когда установленные в них датчики давления выдадут команду системе управления пневмоклапанами (10) на открытие клапана (9) для выброса отработанных газов через выхлопной канал (8). После снижения давления в пневмокамере цилиндра (24) до атмосферного уровня, которое через поршень (4) передается жидкости гидрокамеры цилиндра (23), достигается заданная минимальная разница давлений на входе и выходе впускного клапана (22), установленного между гидрокамерой цилиндра (23) и гидроаккумулятором низкого давления (16), что обеспечивает его открытие и подачу рабочей жидкости из гидроаккумулятора низкого давления (16) в гидрокамеру цилиндра (23), а следовательно - перемещение поршня (4) в верхнее положение и выталкивание отработанных газов из пневмокамеры цилиндра (24) наружу.

После закрытия пневмоклапана выхлопных газов (9) двигатель снова готов к началу очередного цикла, то есть, к впуску следующей порции горючей смеси (для карбюраторных двигателей) или сжатого воздуха (для дизельных и инжекторных двигателей). Для обеспечения заданного объема пневмокамеры цилиндра (24) и впуска определенного количества новой порции приготовленной горючей смеси (сжатого воздуха) в верхней части стенки цилиндра устанавливают специальные ограничители (упоры), размер которых зависит от типа и марки топлива, предназначенного для использования в конкретном двигателе (на чертежах не показано).

С целью более полного удаления выхлопных газов и недопущения их смешивания с новой порцией горючей смеси или сжатого воздуха целесообразно довести верхний торец поршня (4) как можна ближе к крышке рабочего цилиндра (головке статора) (2). Но при этом объем пневмокамеры цилиндра (24) над торцом поршня (4) уменьшится практически до нуля, а объем гидрокамеры цилиндра (23) под торцом поршня, заполненный рабочей жидкостью, станет максимальным. Как известно, жидкости не сжимаются. Поэтому наполнение пневмокамеры цилиндра (24) новой порцией горючей смеси (сжатого воздуха) будет минимальным.

Для обеспечения оптимальных размеров пневмокамеры цилиндра (24) при наполнении ее новой порцией горючей смеси (сжатого воздуха) во впускном клапане (22), установленном между гидрокамерой рабочего цилиндра (23) и гидроаккумулятором низкого давления (16), предлагается ввести дополнительный регулятор задержки (паузы) его закрытия, необходимой для частичного обратного выталкивания рабочей жидкости из гидрокамеры цилиндра (23) в гидроаккумулятор низкого давления (16) (на чертежах не показано). Чем дольше такая пауза, тем большее количество рабочей жидкости из гидрокамеры цилиндра (23) будет вытеснено под воздействием более высокого давления подаваемой новой порции горючей смеси (0,7...1,5 МПа) или сжатого воздуха (2,5...3,0 МПа) по сравнению с рабочим давлением гидроаккумулятора низкого давления (16), составляющим от 0,11 до 0,20 МПа. При этом, на сколько уменьшится объем гидрокамеры цилиндра (23) на столько же симметрично возрастет и объем пневмокамеры цилиндра (24).

Максимальный стартовый объем пневмокамеры цилиндра (24) при подаче новой порции горючей смеси (сжатого воздуха) в течение одного такта впуска должен ограничиваться таким образом, чтобы оставался достаточный объем рабочей жидкости в гидрокамере цилиндра (23) для последующего ее вытеснения в гидроаккумулятор высокого давления (15) и дальше по цепи при расширении в 3-5 раз рабочего тела в пневмокамере цилиндра (24) во времы рабочего хода поршня (4) после воспламенения горючей смеси. В зависимости от типа и марки топлива оптимальное соотношение между объемами пневматической (24) и гидравлической (23) камер цилиндра во время такта впуска теоретически должно быть в пределах от 1/5 до 1/3.

Поэтому предлагается ввести дополнительный (не показано) регулятор параметров закрытия указанного впускного гидроклапана (22) с целью установления оптимальных стартовых размеров пневмокамеры цилиндра (24) при наполнении ее новой порцией горючей смеси (сжатого воздуха) за один такт впуска для каждого принятого типа или марки топлива (пункт 4 формулы изобретения).

Современные электронные средства контроля и управления клапанами позволяют использовать еще один способ регулирования стартовых размеров пневмокамеры цилиндра (24), а соответственно и количества подаваемой горючей смеси (сжатого ' воздуха), который приведено в п. 5 формулы изобретения. С этой целью предлагается ввести в двигатель дополнительный управляющий перепускной гидроклапан (на чертежах не показано), установленный между гидрокамерой (23) рабочего цилиндра (рабочей полости статора) и гидроаккумулятором низкого давления (16). Изменяя его параметры (рабочее давление, время открытия и закрытия), можна изменять объем пневмокамеры двигателя (24) при наполнении ее приготовленной горючей смесью (сжатым воздухом), соответственно оперативно регулируя количество горючей смеси (сжатого воздуха), подаваемой в течение одного такта впуска, управляя мощностью работающего двигателя в значительном диапазоне.

Таким образом, полный цикл работы предложенного двигателя происходит в течение трех тактов:

- впуск, то есть подача от специального компрессора (6) в пневмокамеру цилиндра (24) новой порции приготовленной и сжатой горючей смеси (в карбюраторных) или воздуха (в дизельных или инжекторных двигателях);

- рабочий ход, то есть расширение рабочего тела в пневмокамере цилиндра (24) после ее воспламенения (в результате искры от свечи зажигания (14) в карбюраторных и инжекторных двигателях или впрыскивания топлива под давлением от форсунки в дизельных двигателях), повышение давления на поршень (4) до 4,5...5,0 МПа и соответственно на рабочую жидкость, находящуюся под поршнем (4) в гидрокамере цилиндра (23), открытие выпускного клапана (21) указанной гидрокамеры, перетекание рабочей жидкости в гидроаккумулятор высокого давления (15), из него по патрубку (11) на вход преобразователя гидростатической энергии в механическую (13), после приведения в движение главного вала отбора мощности двигателя и снижения уровня гидростатического давления рабочая жидкость перетекает в гидроаккумулятор низкого давления (16);

- выпуск отработанных газов, механизм управления которым детально описан выше.

Предложенная новая конструкция двигателя внутреннего сгорания, приготовление и сжатие рабочей смеси (воздуха) до оптимального значения за пределами рабочего цилиндра (1) или рабочей полости статора (27) позволяют уменьшить количество и длительность вспомагательных тактов, увеличив относительную длительность главного (продуктивного) такта - рабочего хода с 25 % как минимум до 33 %.

Более того, следует учитывать, что моменты начала и окончания, а соответственно и длительность каждого такта задаются параметрами системы управления (10) гидравлическими и пневматическими клапанами. Как показано выше, изменяя эти параметры, можна управлять длительностью каждого такта в зависимости от типа применяемого топлива, других конструктивных особенностей и назначения двигателя. Следовательно, возможно еще более увеличить относительную длительность рабочего хода по сравнению с двумя другими (подготовительным и обслуживающим) тактами: впуском горючей смеси (сжатого воздуха) и выхлопом отработанных газов. Таким образом, относительное увеличение длительности рабочего хода способствует более полному сгоранию горючей смеси, что обеспечивает не только повышение эффективности работы двигателя, но и снижение загрязнения окружающей среды.

Пример одного из возможных вариантов конструкции предлагаемого двигателя изображен на схеме (фиг. 1).

Двигатель включает цилиндр (1) ограниченный с торца крышкой (2), которую еще называют головкой статора. В крышке цилиндра (2) выполнены впускной (5) и выпускной (8) каналы соответственно для подачи внутрь цилиндра приготовленной горючей смеси (сжатого воздуха) и удаления из цилиндра продуктов сгорания. Каналы снабжены соответственно впускным (7) и выпускным (9) клапаном. В крышке цилиндра (2) смонтирована также свеча зажигания (14) (в карбюраторных и инжекторных двигателях) или форсунка (в дизельных двигателях) для обеспечения воспламенения горючей смеси в пневмокамере (24) цилиндра двигателя (1). Внутри цилиндра (1) размещен с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль оси цилиндра поршень (4). Верхняя часть цилиндра (1), крышка цилиндра (2) и верхний торец поршня (4) образуют рабочую полость, называемую пневмокамерой цилиндра (24), которая связана каналом (5) с магистралью нагнетания компрессора (6), всасывающая магистраль которого оборудована карбюратором (не показано). Компрессор (6) предназначен для сжатия горючей смеси (для карбюраторных двигателей) или воздуха (для дизельных двигателей) и подачи ее в пневмокамеру цилиндра (24).

Во второй части цилиндра (1) под поршнем (4) создана другая рабочая полость (23), ограниченная нижней частью стенки цилиндра (1) и внутренней стороной торца поршня (4), а также корпусами двух гидроаккумуляторов (15) и (16). Ее называют гидрокамерой цилиндра, поскольку она заполнена рабочей жидкостью, предназначенной для выполнения ряда функций по преобразованию тепловой энергии горючей смеси в гидростатическую, а затем в механическую энергию.

Гидроаккумулатор (15) включает жесткий сферический корпус (17), внутри которого размещена заполненная газом эластичная оболочка (19). Уровень рабочего давления газа в эластичной оболочке (19) гидроаккумулятора (15) зависит от типа и марки применяемого топлива (как изложено выше) и задается в пределах от 0,7 до 1,5 МПа для карбюраторных или от 2,5 до 3,0 МПа - для дизельных двигателей. Другая часть этого гидроаккумулятора заполнена рабочей жидкостью и называется его гидрокамерой (26). Этот гидроаккумулятор (15) называют гидроаккумулятором высокого давления, поскольку в него поступает рабочая жидкость из гидрокамеры цилинда (23) через выпускной клапан (21) во время рабочего хода поршня (4) в результате расширения рабочего тела в пневмокамере цилиндра (24).

Другое (выпускное) отверствие гидроаккумулятора высокого давления (15) соединено патрубком (магистралью высокого давления) (11) с впускным отверствием преобразователя гидростатической энергии в механическую (13). А выпускное отверствие указанного преобразователя энергии соединено другим патрубком (магистралью низкого давления) (12) с впускным отверствием гидрокамеры (25) другого гидроаккумулятора (16), называемого гидроаакумулятором низкого давления.

Этот гидроаккумулятор (16) включает жесткий тороидальный корпус (20), внутри которого также размещена заполненная газом эластичная оболочка (18), называемая пневмокамерой гидроаккумулятора. Уровень рабочего давления газа в оболочке этого гидроаккумулятора, независимо от вида и марки применяемого топлива, должен составлять несколько выше атмосферного (теоретически от 0,1 1 до 0,20 МПа), что на много ниже давления подаваемой в пневмокамеру цилиндра (24) приготовленной горючей смеси (сжатого воздуха) или давления расширяющегося рабочего тела и, соответственно, в гидрокамере цилиндра (23) и гидроаккумуляторе высокого давления (15). Именно поэтому второй гидроаккумулятор (16) называют гидроаккумулятором низкого давления. Установленный между ним и гидрокамерой цилиндра (23) впускной клапан (22) открывается после завершения рабочего хода поршня (4), снижения разницы давлений между магистралью высокого и низкого давлений на входе (11) и выходе (12) преобразователя гидростатической энергии в механическую (13), выдачи команды датчиками системы управления (10) на закрытие выпускного гидроклапана (21) гидрокамеры (23) цылиндра (1) и открытие выпускного пневмоклапана (9) пневмокамеры (24) цылиндра (1) для выброса отработанных газов через выпускной канал (8) двигателя.

Как отмечалось выше, магистраль (11) предназначена для подачи от гидроаккумулятора высокого давления (15) рабочей жидкости под большим давлением к преобразователю гидростатической энергии в механическую (13), а магистраль (12) предназначена для отвода рабочей жидкости, отдавшей энергию в указанном преобразователе энергии (13) к гидрокамере (25) гидроаккумулятора низкого давления (16).

Конструкция преобразователя гидростатической энергии в механическую (13) может быть различной. В зависимости от назначения двигателя преобразователь может превращать высокое статическое давление рабочей жидкости во вращательное, возвратно-поступательное или другие виды механического движения.

В качестве примера на схеме (фиг. 1) приведено конструкцию преобразователя гидростатической енергии в механическую с устройством для получения на выходе вращательного движения (13). Он представляет собой находящиеся в зацеплении две смонтированные в корпусе шестерни. В области зацепления шестерен корпус имеет два отверствия: одно - для подачи в преобразователь рабочей жидкости с высоким статическим давлением (11), другое - для отвода рабочей жидкости с низким статическим давлением (12). Вне зоны зацепления шестерен между внутренней поверхностью корпуса и поверхностью торцов зубьев шестерен обеспечен минимальный зазор, препятствующий перетеканию рабочей жидкости в этих местах. Продолжение валов шестерен (или одного из них) за пределы корпуса предназначено для отвода от преобразователя гидростатической энергии в механическую энергию (13) в виде главного вала отбора мощности двигателя (не показано).

При подаче в магистраль высокого давления (11) рабочей жидкости с высоким статическим давлением, жидкость воздействует на зубья шестерен, приводя шестерни во вращение и отдавая при этом энергию. В зоне отверствия для отвода рабочей жидкости она вытекает из полостей, ограниченных зубьями шестерен и внутренней поверхностью корпуса и отводится из преобразователя (13) по магистрали низкого давления (12) к гидрокамере (25) гидроаккумулятора низкого давления (16).

При использовании преобразователя рассмотренной конструкции отвод механической энергии от преобразователя осуществляют путем подключения к валам шестерен (или одного из них) потребителя механической энергии.

Датчики давления системы управления (10) выдают сигнал на закрытие выпускного гидроклапана (21), установленного между гидрокамерой цилиндра (23) и гидроакумулятором высокого давления (15), и открытие выпускного пневмоклапана (9) для выброса отработанных газов через выпускной канал (8) двигателя при достижении минимальной разницы давления робочей жидкости между магистралями высокого (11) и низкого (12) давления соответственно на входе и выходе преобразователя энергии (13) (пункт 9 формулы изобретения).

Как вариант, указанные датчики давления могут устанавливаться для определения заданной минимальной разницы давления робочей жидкости не на магистралях высокого (11) и низкого (12) давления, а в гидрокамере цилиндра (робочей полости статора) (23) и гидроаккумуляторе низкого давления (16) (пункт 10 формулы изобретения). Возможно и комбинирование этих двух вариантов для обеспечения большей надежности системы управления (10) гидравлическими и пневматическими клапанами двигателя.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Исходное состояние двигателя:

- впускной пневмоклапан (7) - закрыт;

- выпускной пневмоклапан (9) - закрыт;

- поршень (4) находится в верхнем положении;

- пневмокамера (24) рабочего цидиндра (1) имеет минимальный объем, а гидрокамера (23) - заполнена рабочей жидкотью в объме, близком к максимальному;

- выпускной гидроклапан (21) и впускной гидроклапан (22) - закрыты;

- гидрокамера (26) гидроаккумулятора высокого давления (15) и гидрокамера (25) гидроаккумулятора низкого давления (16) заполнены рабочей жидкостью на минимальном уровне от их рабочих объемов.

Работа двигателя начинается из запуска компрессора (6). При этом, вначале - от автономного источника энергии (не показано), а в процессе работы— через систему приводов от преобразователя гидростатической энергии в механическую (13). Всасывая воздух через карбюратор (для карбюратоных двигателей) компрессор (6) приготавливает горючую смесь топлива и воздуха и сжимает ее до заданного оптимального значения. Для дизельных двигателей компрессор (6) нагнетает воздух также до необходимого оптимального значения, указанного выше.

При достижении компрессором (6) заданного уровня давления открывают клапан (7). Сжатая горючая смесь по каналу (5) поступает в пневмокамеру (24) рабочего цилиндра (1). Впускной клапан (7) закрывается. При этом поршень (4) находится в исходном положении, поскольку рабочая жидкость под ним в гидрокамере цилиндра (23) не сжимаема и не может быть вытеснена до тех пор, пока выпускной гидроклапан (21) к гидроаккумулятору высокого давления (15) и впускной гидроклапан (22) от гидроаккумулятора низкого давления (16) остаются закрытыми. При использовании регулятора задержки (паузы) закрытия впускного гидроклапана (22) либо управляющего перепускного гидроклапана между гидрокамерой цилиндра (23) и гидроаккумулятором низкого давления (16) рабочая жидкость из гидрокамеры цилиндра (23) в заданных пределах будет частично вытеснена в гидроаккумулятор низкого давления (16). При этом объем пневмокамеры цилиндра и количество поданной к ней горючей смеси (сжатого воздуха) достигнет заданного значения, близкого к оптимальному. Этот процесс соответствует такту впуска.

Затем подают импульс высокого напряжения на свечу (14) (в карбюратоном двигателе) или впрыскивают топливо через форсунку (в дизельном двигателе), что обеспечивает воспламенение горючей смеси, в результате чего в пневмокамере цилиндра (24) рабочее тело расширяется и давление возрастает ориентировочно до 4, 5...5,0 МПа. При его воздействии на поршень (4) соответственно повышается давление рабочей жидкости в гидрокамере цилиндра (23), что обеспечивает открытие выпускного клапана (21) и вытеснение рабочей жидкости в гидрокамеру (26) гидроаккумулятора высокого давления (15), а от него - по гидромагистрали высокого давления (11) на вход преобразователя гидростатической энергии в механическую (13). Отдав энергию, рабочая жидкость по магистрали низкого давления (12) поступит в гидрокамеру (25) гидроаккумулятора низкого давления (16). При этом впускной клапан (22) останется закрытым, поскольку давление рабочей жидкости в гидрокамере цилиндра (23) будет больше, чем давление рабочей жидкости в гидроаккумуляторе низкого давления (16). По мере вытеснения рабочей жидкости из гидрокамеры цилиндра (23) и гидроаккумулятора высокого давления (15) и наполнения гидроаккумулятора низкого давления (16) разница давлений рабочей жидкости в магистралях (11) и (12) будет уменьшаться до тех пор, пока не достигнет заданного минимального значения, при котором датчики системы управления (10) выдадут команду на закрытие гидроклапана (21) и открытие пневмоклапана (9). Таким образом завершается рабочий такт двигателя.

После выброса выхлопных газов через выпускной канал (8) давление в пневмокамере цилиндра (24) сравняется с атмосферным. Соответственно, снизится давление и в гидрокамере цилиндра (23). В результате откроется впускной клапан (22) и рабочая жидкость из гидрокамеры (25) гидроаккумулятора низкого давления (16) будет вытесняться в гидрокамеру цилиндра (23). Это приведет к перемещению поршня (4) вверх до упора и удалению оставшихся продуктов сгорания через открытый клапан (9) и выпускной канал (8). Клапан (9) закрывается. Такт выхлопа закончен.

Двигатель находится в исходном положении и готов к началу очередного цикла, который снова начинается тактом впуска, то есть, открытием впускного клапана (7) и подачей в пневмокамеру цилиндра (24) новой порции приготовленной горючей смеси (сжатого воздуха) от компрессора (6).

Циклы систематически повторяются в течение работы двигателя.

Конретная конструкция предложенного двигателя внутреннего сгорания может быть различной в зависимости от его назначения, типа и марки применяемого топлива и других особенностей. Возможно также комбинирование различного числа основных механизмов и робочих элементов двигателя, когда в его состав входит один или более чем один рабочий цилиндр (1) либо рабочая полость статора (27) в комплекте из соответствующим количеством поршней (4) или мембран (28), гидроаккумуляторов высокого (15) и низкого (16) давления, оборудованных соответствующими впускными (21) и выпускными (22) клапанами и соединенных гидромагистралями высокого (11) и низкого (12) давления с одним или несколькими преобразователями гидростатической енергии в механическую (13) через специальную систему клапанов (10, 29), обеспечивающую синхронизацию перетекания рабочей жидкости, а также подачу горючей смеси (сжатого воздуха), ее воспламенение и выброс выхлопных газов (пункт 6 формулы изобретения).

При использовании двух или более однотипных рабочих цилиндров (1) или полостей статора (27) возможна конструкция двигателя без гидроаккумуляторов высокого (15) и/или низкого (16) давления. При этом специальная система клапанов (10, 29), обеспечивает синхронизацию систематического поочередного перетекания робочей жидкости от гидрокамеры (23) одного рабочего цилиндра (1) (робочей полости статора) (27) к одному или нескольким преобразователям гидростатической энергии в механическую (13), а от него (их) - к гидрокамере (23) другого рабочего цилиндра (1) (робочей полости статора) (27), а также синхронизацию поочередной подачи горючей смеси (сжатого воздуха) к пневмокамере (24) соответствующего рабочего цилиндра (1) либо рабочей полости статора (27), ее воспламенения и отвода отработанных газов, что изображено на схеме (фиг. 3) и изложено в пункте 11 формулы изобретения.

Предложенная конструкция двигателя обеспечивает следующие преимущества по сравнению с ближайшим аналогом:

1. Уменьшение габаритов, массы и металлоемкости двигателя на 30-35 %.

2. Снижение уровня трения и шумов не менее чем на 40 %.

3. Повышение надежности работы двигателя из-за меньшего числа трущихся деталей и низкой вероятности их заклинивания.

4. Увеличение к.п.д. не менее, чем на 15-20 % в результате уменьшения потерь на трение и относительного увеличения длительности рабочего хода.

5. Снижение выбросов в окружающую среду вредных веществ в результате более полного сгорания рабочей смеси и лучшей вентиляции пневмокамеры.