ДВИГАТЕЛЬ
ENGINE

Изобретение относится к двигателям электрическим и внутреннего сгорания и может применяться на автомобильном, железнодорожном, воздушном, речном транспорте, на производстве в качестве силовых установок, а также в иных областях применения современных двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей.
В качестве наиболее близкого аналога двигателя принят поршневой двигатель внутреннего сгорания с наклонно-якорным механизмом преобразования энергии поступательного движения поршня в энергию вращательного движения вала - патент RU 2324061 С2, опубл. 10.05.2008 - и электрические двигатели с вращающимся ротором.
Недостатками двигателя, принятого за прототип, являются:
- неполное преобразование энергии поступательного движения поршня в энергию вращательного движения,
- несовершенный механизм впуска газовой смеси и выпуска продуктов сгорания,
- невозможность эффективного и компактного совмещения в двигателе внутреннего сгорания электрического двигателя.
Технический результат от применения заявленного изобретения заключается в уменьшении механических потерь при преобразовании возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, в том числе в устранении «боковой силы», действующей через поршень на стенки цилиндра при возвратно-поступательном движении поршня; в упрощении конструкции двигателя внутреннего сгорания с наклонно-якорным механизмом; в усовершенствовании системы впуска-выпуска газов в системе поршень-цилиндр; в компактном совмещении в одном двигателе, на одном валу, двигателя внутреннего сгорания и электрического двигателя с возможностью одновременной работы обоих двигателей, а также поочередной работы двигателей с быстрым отключением (включением) каждого двигателя.
Согласно изобретению двигатель состоит из корпуса с неподвижно закрепленным цилиндром, в котором расположен поршень, вала, якоря, один край которого при разложенном колене вала постоянно касается расположенного на основании корпуса опорного обода, с которым зацеплен зубьями, расположенными радиально на нижней части основания якоря и верхней части опорного обода, опорный обод расположен горизонтально на роликах корпуса и связан зубьями, расположенными вертикально по внутренней окружности опорного обода, с зубьями регулирующей шестерни, которая зацеплена зубьями с валом, включает электрический двигатель, состоящий из статора и ротора, жестко прикрепленного к нижней вертикальной части вала, электрический двигатель может работать одновременно с работающим поршнем, а также самостоятельно, колено вала, расположенное под острым углом к оси вала, способно складываться вдоль оси вала при помощи разводного диска, закрепленного на валу над коленом вала, якорь выполнен в форме полой полусферы, которая закреплена в хомуте над основанием корпуса, основание якоря расположено под углом к горизонтальному основанию корпуса, вал проходит через корпус вертикально, а его колено проходит сквозь верхнюю часть якоря через отверстие, выполненное вдоль условной оси якоря, поршень прикреплен к хомуту, хомут закреплен на двух диаметрально расположенных креплениях в корпусе, а внутри хомута на двух диаметрально расположенных креплениях расположен якорь, поршень способен двигаться возвратно-поступательно по участку окружности, качая хомут и якорь, верхняя часть якоря при этом вращает вал двигателя, а нижняя часть вращает опорный обод в направлении, противоположном направлению вращения вала, опорный обод вращает регулирующую шестерню, регулирующая шестерня вращает вал, ротор электродвигателя выполнен с возможностью вращения вала двигателя, причем для прекращения работы поршня колено вала способно складываться вдоль оси вала посредством фиксации разводного диска относительно корпуса при помощи фиксатора, при этом колено вала, продолжая вращательное движение по идущей к центру диска спиральной резьбе, в которой постоянно находится зуб колена вала, через несколько оборотов совпадает с осью вала, после чего разводной диск освобождают от фиксации, а якорь, хомут и поршень останавливаются, подключение работы поршня производится путем раскладывания колена вала, для чего также применяется разводной диск, который фиксируется относительно корпуса посредством фиксатора, а электрический двигатель включается в обратном направлении вращения, вследствие чего колено вала начинает вращательное движение по идущей от центра разводного диска спиральной резьбе к краю диска, после чего разводной диск освобождают от фиксации и осуществляют работу поршня.
В двигателе в отличие от двигателей внутреннего сгорания с наклонно-якорным механизмом согласно изобретению не имеется шатуна и центральной карданной опоры якоря, функцию которой выполняет хомут 7, цилиндр 1-1 и поршень 6 имеют изогнутую форму, при которой их оси образуют участки окружности. Использование хомута 7 и изогнутых поршня 6 и цилиндра 1-1 позволяют устранить «боковую силу». В отличие от двигателей внутреннего сгорания выпускной клапан 6-1 расположен в головке поршня, а продукты горения удаляются через канал, расположенный внутри хомута 7, что позволяет увеличить площади впускного и выпускного клапанов до диаметров, приближающихся к диаметрам поршня и головки цилиндра, тем самым снизить затраты на осуществление процессов впуска-выпуска газов. В отличие от двигателей внутреннего сгорания с якорем в форме усеченного конуса в предлагаемом двигателе якорь 2 выполнен в форме полой полусферы с наружным креплением к хомуту 7, что позволяет разместить под якорем статор 9 и ротор 8 электрического двигателя. Вал 5 двигателя со складывающимся коленом 5-2 позволяет при отключении процессов внутреннего сгорания и складывании колена вала 5-2 остановить такие элементы двигателя, как поршень 6, хомут 7, якорь 2, в результате чего работа электродвигателя не будет тратиться на приведение в движение данных элементов двигателя.
Наличие конструктивных элементов.
1. Корпус 1 в виде полусферы, по бокам полусферы расположены два отверстия под крепления хомута 7, по окружности основания расположены несколько (три и более) роликов 12 под опорный обод 3, в верхней и нижней частях корпуса 1 по центру имеются вертикальные круглые отверстия для вала 5, в верхней части сбоку от центрального имеется вертикальное отверстие под фиксатор 11 разводного диска 5-3.
2. Якорь 2 с расположенным по центру вертикально отверстием под вал 5, двумя диаметрально расположенными в нижней части отверстиями под крепления хомута 7, с зубьями, расположенными снизу по окружности якоря 2, радиально.
3. Опорный обод 3 с зубьями, расположенными на верхней части обода радиально (для зацепления с зубьями якоря 2) и с зубьями, расположенными по внутренней окружности обода 3 вертикально (для зацепления с зубьями регулирующей шестерни 4).
4. Регулирующая шестерня 4, состоящая из двух шестерен - верхней малой 4-1 и нижней большой 4-2, жестко скрепленных по оси.
5. Вал 5 со складывающимся коленом 5-2, с разводным диском 5-3, расположенным подвижно на верхней части вала 5-4 над коленом 5-2 и зацепленным через спиральную резьбу разводного диска 5-3 с зубом колена; с ротором 8 электродвигателя; с зубьями в нижней части вала 5-1, расположенными продольно оси вала.
6. Ротор электродвигателя 8, жестко прикрепленный к нижней вертикальной части вала 5-1.
7. Статор электродвигателя 9, расположенный вокруг ротора 8 под якорем 2 двигателя.
8. Хомут 7 с двумя диаметрально расположенными и обращенными наружу креплениями (для закрепления в корпусе 1) и двумя диаметрально расположенными и обращенными внутрь креплениями якоря 2, с расположенным внутри каналом, проходящим от выпускного клапана поршня 6-1 и выходящим через крепления хомута в корпусе.
9. Поршень 6 в виде полого закрытого изогнутого цилиндра, ось которого представляет участок окружности, в головке поршня размещен выпускной клапан 6-1.
10. Камера сгорания в форме изогнутого цилиндра 1-1, ось которого представляет участок окружности, закрытого сверху головкой цилиндра, в которой расположена форсунка 10.
Наличие связи между элементами.
Якорь 2 крепится в хомуте 7, надет верхней частью на колено вала 5, при отклоненном колене вала зубья нижней части якоря 2 входят в зацепление с опорным ободом 3.
Вал 5 проходит сквозь верхнее и нижнее вертикальные отверстия корпуса 1, колено проходит через якорь 2, зубьями зацеплен с регулирующей шестерней 4 (с ее нижней большой шестерней 4-2).
Ротор 8 электродвигателя жестко прикреплен к нижней вертикальной части вала двигателя 5-1, взаимодействует со статором 9 электродвигателя посредством электромагнитного поля. Статор электродвигателя 9 жестко размещен в корпусе 1 двигателя перпендикулярно основанию корпуса, вокруг ротора 8.
Регулирующая шестерня 4 соединяет опорный обод 3 и вал 5: зубья малой шестерни 4-1 постоянно зацеплены с зубьями опорного обода 3, зубья большой шестерни 4-2 постоянно зацеплены с зубьями вала 5.
Поршень 6 находится в цилиндре 1-1, крепится к хомуту 7.
Хомут 7 крепится к корпусу 1, в хомуте закреплен якорь 2.
Взаимное расположение элементов.
Якорь 2 расположен в хомуте 7 над опорным ободом 3 и одним краем основания (нижним) при отклоненном колене вала касается опорного обода 3, при этом противоположный верхний край основания якоря 2 находится на максимальном расстоянии от опорного обода 3; при сложенном колене вала ось якоря занимает вертикальное положение, основание якоря становится параллельным основанию корпуса и опорному ободу, с которым выходит из зубчатого зацепления.
Вал 5 проходит сквозь верхнее и нижнее вертикальные отверстия корпуса 1, колено проходит через отверстие якоря 2.
Ротор 8 жестко закреплен на валу 5 двигателя.
Статор 9 жестко закреплен в основании корпуса 1 вокруг ротора 8.
Опорный обод 3 расположен под якорем 2, в проекции якоря 2, часть зубьев опорного обода 3 всегда находится в зацеплении с частью зубьев нижнего края якоря 2.
Регулирующая шестерня 4 расположена параллельно основанию корпуса 1, между опорным ободом 3 и валом 5.
Цилиндр 1-1 и поршень 6 расположены на участке окружности, проходящей через центр хомута 7, по которой хомут совершает максимальные по амплитуде колебания.
Хомут 7 имеет две пары креплений - крепления к корпусу 1 и крепления якоря 2, оси которых (пар креплений) перпендикулярны друг другу, при этом поршень 6 закреплен над одним из креплений якоря в точке, совершающей максимальные по амплитуде возвратно-поступательные (качательные) движения.
Форма выполнения элемента (элементов) или устройства в целом, в частности геометрическая форма.
Форма двигателя в целом - полусфера.
1. Корпус 1 в виде полусферы, по бокам полусферы расположены два отверстия под крепления хомута 7, по окружности основания расположены несколько (три и более) роликов 12 под опорный обод 3, в верхней и нижней частях корпуса 1 по центру имеются вертикальные круглые отверстия для вала 5.
2. Якорь 2 в виде полой полусферы с расположенным по центру вертикально отверстием под вал 5 двумя диаметрально расположенными в нижней части отверстиями под крепления хомута 7, с зубьями, расположенными снизу по окружности якоря 2 радиально.
3. Опорный обод 3 с зубьями, расположенными на верхней части обода радиально (для зацепления с зубьями якоря 2) и с зубьями, расположенными по внутренней окружности обода 3 вертикально (для зацепления с зубьями регулирующей шестерни 4).
4. Регулирующая шестерня 4, состоящая из двух шестерен - верхней малой 4-1 и нижней большой 4-2, жестко скрепленных по оси.
5. Вал 5 со складывающимся коленом 5-2, подвижно соединенным с нижней частью вала 5-1, с разводным диском 5-3, расположенным на верхней части вала 5-4 над коленом и зацепленным через спиральную резьбу диска с зубом колена, разводной диск способен фиксироваться относительно корпуса 1 при зацеплении с фиксатором 11 при вращающемся вале двигателя.
6. Ротор 8 электродвигателя в форме цилиндра, жестко прикрепленный к нижней вертикальной части вала 5-1.
7. Статор 9 электродвигателя в форме полого цилиндра, расположенный вокруг ротора 8 под якорем 2 двигателя.
8. Хомут 7 с двумя диаметрально расположенными и обращенными наружу креплениями (для закрепления в корпусе 1) и двумя диаметрально расположенными и обращенными внутрь креплениями якоря 2, с расположенным внутри каналом, проходящим от выпускного клапана поршня 6-1 и выходящим через крепления хомута в корпусе.
9. Поршень 6 в виде полого закрытого изогнутого цилиндра, ось которого представляет участок окружности, в головке поршня размещен выпускной клапан 6-1.
10. Камера сгорания в форме изогнутого цилиндра 1-1, ось которого представляет участок окружности, закрытого сверху головкой цилиндра, в которой расположена форсунка 10.
Форма выполнения связи между элементами двигателя.
Якорь 2 связан с хомутом 7 посредством креплений хомута, проходящих через два нижние отверстия якоря.
Вал 5 связан с корпусом 1 через вертикальные отверстия корпуса.
Ротор 8 жестко связан с нижней частью вала 5-1.
Статор 9 жестко связан с основанием корпуса 1.
Опорный обод 3 лежит на роликах 12, связан с якорем 2 и регулирующей шестерней 4 через зубчатое зацепление.
Регулирующая шестерня 4 закреплена в корпусе 1 на валу шестерни и связана с опорным ободом 3 и с валом 5 через зубчатое зацепление.
Поршень 6 жестко связан с хомутом 7.
Хомут 7 связан с корпусом 1 посредством креплений хомута, проходящих через два отверстия в корпусе.
Параметры и другие характеристики элемента (элементов) и их взаимосвязь.
Радиус якоря 2 превышает радиус опорного обода 3 и соотносится с ним как гипотенуза с катетом в прямоугольном треугольнике, т.е. равен корню квадратному из суммы квадратов радиуса основания якоря и высоты от плоскости верхней части опорного обода 3 до центра основания якоря 2.
Высота якоря 2 примерно равна радиусу его основания, но может быть больше или меньше для оптимизации габаритности всего устройства и достижения необходимой центростремительной силы от вращения верхней части якоря 2.
Длина вала 5 превышает высоту корпуса 1, колено расположено к оси вала под углом, равным углу, образуемому основанием якоря 2 и основанием корпуса 1.
Радиусы малой 4-1 и большой 4-2 шестерен регулирующей шестерни 4 должны быть таковы, чтобы обеспечивать равенство величины отношения скорости вращения опорного обода 3 к скорости вращения вала 5 и величины отношения разницы длин радиусов основания якоря 2 и опорного обода 3 к длине радиуса опорного обода 3. (Например, если длины радиусов основания якоря 2 и опорного обода 3 соотносятся как 25 к 24, их разница составляет 1, соответственно скорости вращения опорного обода 3 и вала 5 должны соотноситься как 1 к 24, что и должна обеспечить расположенная между ними регулирующая шестерня 4).
Все элементы устройства могут быть выполнены из металлов и иных материалов, применяемых в современном двигателестроении.
Перечень чертежей и иных материалов
Фигура 1 - двигатель, вид спереди.
Фигура 2 - двигатель, вид сбоку.
Фигура 3 - двигатель, вид сверху.
Двигатель внутреннего сгорания может быть построен исходя из общих принципов двигателестроения и уровня современной техники, т.к. не имеет каких-либо конструктивных элементов, изготовление которых требовало бы применения специальных технологий.
Двигатель внутреннего сгорания действует следующим образом: при нахождении поршня 6 в верхнем положении происходит процесс воспламенения газовой смеси (процесс сгорания), сила давления газов действует на головку поршня 6, хомут 7, якорь 2, края которых также находятся в верхнем положении, в результате чего данные элементы начинают поступательное движение вниз по относительно вертикальному участку окружности, к крайнему нижнему положению, диаметрально противоположный край якоря 2 и хомута 7 начинает двигаться в противоположном направлении - к крайней верхней точке, при этом место зацепления нижнего края якоря 2 с опорным ободом 3 начинает последовательно перемещаться по опорному ободу 3 в направлении к опускающимся краям хомута и якоря, например, по движению часовой стрелки; при этом верхняя часть якоря 2 начинает перемещаться также в направлении движения часовой стрелки и увлекает за собой продетое сквозь нее колено вала 5-2, вращая вал 5. При достижении крайнего нижнего положения поршня 6 происходит выпуск отработавших газов через клапан 6-1 и канал хомута 7, после этого верхняя часть якоря 2, вал 5, продолжают движение по инерции, и место зацепления нижнего края якоря 2 с опорным ободом 3 последовательно перемещается в направлении движения часовой стрелки к диаметрально противоположной точке, при этом хомут с поршнем 6 и закрепленным под поршнем краем якоря начинают подниматься, при достижении поршнем 6 крайнего верхнего положения завершается процесс сжатия (если двигатель двухтактный), после чего повторяется вышеописанный процесс сгорания газовой смеси; либо завершается процесс выпуска (если двигатель четырехтактный), после чего по инерции следуют процессы впуска газовой смеси, ее сжатия и повторяется вышеописанный процесс сгорания газовой смеси. При этом, в случае вращения вала 5 по часовой стрелке, происходит одновременное вращение регулирующей шестерни 4 в противоположном направлении и движение опорного обода 3 в этом же направлении, но с гораздо меньшей скоростью, обеспечивающей не перемещение основания якоря в горизонтальном направлении относительно корпуса.
Электрический двигатель действует так же, как и иные электрические двигатели, содержащие ротор, вращающийся под воздействием разнополярных электромагнитных полей ротора и статора. Электрический двигатель может работать одновременно с работающим поршнем 6 двигателя, вращая вал 5 в направлении вращения колена вала 5-2, а также самостоятельно. При работе одного электродвигателя для уменьшения механических потерь, возникающих при трении поршня 6 о цилиндр 1-1, а также от вынужденного движения хомута 7 и якоря 2, движимых коленом вала 5-2, применяется складывание колена вала: разводной диск 5-3 вала фиксируется относительно корпуса 1 посредством фиксатора 11, а колено вала продолжает вращательное движение по идущей к центру разводного диска спиральной резьбе, в которой постоянно находится зуб колена вала, до совпадения оси колена с осью вала 5, после чего разводной диск освобождается от фиксации. При складывании колена нижняя часть вала 5-1, колено 5-2 и верхняя часть вала 5-4 образуют один вертикальный вал, вращающийся в отверстиях корпуса и верхнем отверстии якоря, а якорь 2, хомут 7 и поршень 6 останавливаются, занимая среднее положение (относительно крайних точек амплитуды своего возвратно-поступательного движения), при этом хомут и основание якоря параллельны основанию корпуса и якорь полностью выходит из зацепления с зубьями опорного обода. При этом опорный обод 3 и регулирующая шестерня 4 продолжают вращение, увлекаемые валом 5. Для подключения работы поршня 6 необходимо раскладывание колена вала 5-2, для чего также применяется разводной диск 5-3, который фиксируется относительно корпуса 1 посредством фиксатора 11, а электрический двигатель включается в обратном направлении вращения, колено вала начинает вращательное движение по идущей от центра разводного диска спиральной резьбе к краю диска до максимальной точки развода колена с осью вала, и до зацепления зубьев якоря с зубьями опорного обода, после чего разводной диск освобождается от фиксации, а двигатель внутреннего сгорания заводится в требуемом направлении вращения.
Источниками электрической энергии, подаваемой для вращения ротора электродвигателя, могут быть средства, раскрытые в следующей литературе: Дубровский В.И. Автомобили и мотоциклы в России (1896-1917). - М.: Транспорт, 1994 - 302 с.; Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003 - 224 с.; «Электромобиль, где взять энергию», публикация журнала «Двигатель», №1 (37), 2005 г.