Для работы и в закрытых помещениях, и в открытых помещениях лучшим решением являлось бы создание такого двигателя, который в одном случае мог бы работать с экологически чистым выхлопом (пневмодвигатель), а в другом как тепловой ДВС со сгоранием топлива. Для создания такого гибридного двигателя предлагается конструкция ДВС с внешней камерой сгорания (рис.3).
Поршневой двигатель состоит из блока цилиндров, по крайней мере, с одним нагнетательным цилиндром и одним расширительным цилиндром с кривошипно-поршневыми группами, работающими на общий коленчатый вал, самодействующими клапанами, ресивером-теплообменником, внешней камерой сгорания с системами подачи топлива и зажигания. Нагнетательный цилиндр системой трубопроводов через ресивер-теплообменник связан с расширительным цилиндром с нормально открытым впускным самодействующим клапаном и выхлопными окнами, а ресивер-теплообменник через обратный клапан сообщен с камерой сгорания.
Поршневой двигатель содержит блок цилиндров 1, общий коленчатый вал 2, к которому присоединены нагнетательный цилиндр 3 и расширительный цилиндр 4 с поршнем 5. Расширительный цилиндр 4 снабжён нормально открытым самодействующим впускным клапаном 6 и выхлопными окна 7, объединёнными коллектором 8, и соединён системой трубопроводов с ресивером-теплообменником 9, через обратный клапан 10 с камерой сгорания 11 с системами питания топливом и зажигания. Коллектор 8 расширительного цилиндра 4 соединён трубопроводом 12 со змеевиком 13 ресивера-теплообменника 9 трубопроводом 14 выхода отработавших газов.
Сжатый воздух из нагнетательного цилиндра 3 через ресивер-теплообменник 9 и обратный клапан 10 поступает в камеру сгорания 11, куда подаётся топливо. При воспламенении топливно-воздушной смеси системой зажигания горячее рабочее тело повышенного давления из камеры сгорания 11 поступает в расширительный цилиндр 4 через нормально открытый самодействующий подпружиненный впускной клапан 6 (далее – впускной клапан) и при нахождении поршня 5 расширительного цилиндра 4 в верхней мёртвой точке (ВМТ) газовая сила, создаваемая рабочим телом, вызывает его перемещение. В процессе наполнения расширительного цилиндра 4 рабочим телом повышенного давления по мере движения поршня 5 к нижней мёртвой точке (НМТ) с увеличением его скорости, растёт перепад давлений на запорный элемент нормально открытого впускного клапана 6. Впускной клапан 6 закрывается, поступившее в цилиндр рабочее тело продолжает оказывать давление на поршень 5 и при его перемещении к НМТ расширяется с совершением механической работы, создавая при этом крутящий момент Мкр своей кривошипно-поршневой группой на коленчатом валу 2 поршневого двигателя, обеспечивая при этом функционирование нагнетательного цилиндра 3.
Достоинство предложенной конструкции двигателя заключается в эффективном и надёжном обеспечить функционирование силовых установок транспортных средств с различными видами топлив, обеспечивающей рекуперацией энергии сжатого воздуха при торможении, спуске с подъёмов.
Рис.3. Двигатель внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания
При открытии поршнем 5 выхлопных окон 7 в нижней части расширительного цилиндра 4 расширившееся отработанное рабочее тело отводится в коллектор 8 и по трубопроводу 12 подается в змеевик 13 ресивера-теплообменника 9. При обратном ходе поршня к ВМТ, обеспечиваемом моментом инерции маховика двигателя (другими параллельно работающими расширительными цилиндрами), происходит сжатие оставшегося в расширительном цилиндре 4 рабочего тела и при превышении давления в расширительном цилиндре 4 давления в камере сгорания 11, впускной клапан 6 открывается, и при достижении поршнем 5 ВМТ, двутактный цикл в расширительном цилиндре 4 повторяется.
Основная часть механической энергии, снимаемой с коленчатого вала 2, расходуется на привод движителя транспортного средства, а другая часть воспринимается кривошипно-поршневыми группами нагнетательного цилиндра 2, приводя их в движение, обеспечивая при этом сжатие атмосферного воздуха.
Внешнее расположение камеры сгорания позволит сжигать топливно-воздушную смесь практически при постоянном объеме, что приведет к уменьшению шумности работы двигателя, обеспечит процесс сгорания при снижение токсичности выхлопа. Конструкция камеры сгорания позволит использовать более простую топливоподающую аппаратуру и систему зажигания, даст возможность применения в двигателе различных видов топлива (природный и попутный нефтяной газы, тяжелое дизельное топливо, легкие нефтяные фракции, бензин и керосин, порошкообразный уголь и др.)
При торможении, спусках с подъёмов или движении транспортного средства накатом, крутящий момент, создаваемый на коленчатом валу 11 движителем, приведёт в движение поршневые группы нагнетательного цилиндра 2. Будет производится сжатие атмосферного воздуха, поступающего в нагнетательный цилиндр с его перемещением в ресивер-теплообменник 9 и камеру сгорания 11, обеспечивая тем самым накопление сжатого воздуха и последующею рекуперацию накопленной пневмоэнергии.
В другой конструкции поршневого двигателя, состоящего из тех же самых блока цилиндров, кривошипно-шатунных групп, работающих на общий коленчатый вал, системы газораспределения, включающей в себя самодействующие клапаны, ресивер. Расширительный цилиндр с нормально открытым самодействующим клапаном и выхлопными окнами сообщен с нагнетательным цилиндром через ресивер, причём ресивер связан с баллоном высокого давления через редукционный клапан.
На рис.4 показан один из возможных вариантов принципиальной схемы поршневого двигателя с расширительным и компрессорным цилиндрами (пневмодвигательно-компрессорный агрегат).
Поршневой двигатель содержит блок цилиндров 1, внутри которого размещены нагнетательный цилиндр 2 и расширительный цилиндр 3 с нормально открытым впускным клапаном 4 и выхлопными окнами 5, коленчатый вал 6 с шатунно-поршневыми группами система трубопроводов 7, баллон высокого давления 8, ресивер 9, редукционный клапан 10.
Сжатый воздух из баллона высокого давления 8 через редукционный клапан 10 поступает в ресивер 9, где поддерживается избыточное давление порядка 0,6-0,8 МПа. По системе трубопроводов 7 из ресивера 9 сжатый воздух поступает в расширительный цилиндр 3 через нормально открытый впускной клапан 4, приводя в движение поршневую группу расширительного цилиндра 3 и создавая при этом крутящий момент на коленчатом валу 6 поршневого двигателя. Основная часть момента, снимаемая с коленчатого вала 6, расходуется на привод движителя транспортного средства, а другая часть воспринимается поршневыми группами нагнетательного цилиндра 2, приводя их в движение и обеспечивая при этом сжатие атмосферного воздуха и его накопление в ресивере 9.
Рис.4. Пневмодвигательно-компрессорный агрегат
При торможении, спусках с подъёмов или движении транспортного средства накатом, крутящий момент, создаваемый на коленчатом валу 6 движителем, приводит в движение поршневые группы нагнетательного 2 и расширительного цилиндров 3. Производится сжатие атмосферного воздуха, поступающего в нагнетательный цилиндр и расширительные цилиндры через открытые выхлопные окна 5, и его перемещение в ресивер 9, обеспечивая тем самым его рекуперацию.
Нормально открытые самодействующие впускные клапаны в крышке цилиндра могут быть выполнены в виде запорного элемента, подвешенного на пружине растяжения (см. RU № 2097576 C1, 27.11.1997), подпружиненного кольца с ограничителем (см. RU № 11312 U1, 31.12.1998), в виде упругих элементов, параллельных потоку газа, и ограничителей, консольно закрепленных в пакет (см. RU № 38852 U1, 03.03.2004).
Предложенное техническое решение позволяет эффективно и надёжно обеспечить функционирование силовых установок транспортных средств с экологически чистым выхлопом.
Гибридный двигатель, работающий с различными источниками энергии может быть выполнен на базе ДВС с внешней камерой сгорания. В этом случае баллон низкого давления требуется соединить с камерой сгорания. При работе на пневматической энергии подавать сжатый воздух в камеру сгорания, отключив от нее подачу топлива.