ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
PISTON ENGINE

Изобретение относится к энергетике и машиностроению и может быть использовано в качестве поршневого двигателя в различных отраслях народного хозяйства.
Наиболее близким аналогом изобретения по технической сущности является поршневая машина, например поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус с крышкой и поршень, размещенный в корпусе и посредством штока связанный с валом отбора мощности (Новый политехнический словарь. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2000, с.131).
Недостатками известного двигателя являются сложная конструкция и необходимость использования сжигаемого углеводородного топлива, что снижает экологическую безопасность.
Задача изобретения - создание надежного и простого двигателя, удобного в эксплуатации и обеспечивающего экологическую безопасность за счет исключения сжигания топлива.
Поставленная задача решается за счет того, что поршневой двигатель, содержащий полый цилиндрический корпус и поршень, размещенный в корпусе с возможностью возвратно-поступательных перемещений и кинематически связанный с валом отбора мощности, снабжен системой циркуляции горячего и холодного теплоносителей, включающей теплообменники, электроуправляемые клапаны и насосы для подачи горячего и холодного теплоносителей в полость корпуса, и системой управления, связанной с системой циркуляции и включающей датчики верхнего и нижнего положений поршня в корпусе, корпус снабжен верхней и нижней крышками, поршень снабжен верхним и нижним упругими элементами, при этом верхний упругий элемент прикреплен одним концом к верхней крышке, а другим концом - к поршню, нижний упругий элемент прикреплен одним концом к нижней крышке, а другим концом - к поршню, и оба упругих элемента выполнены в виде перфорированных сильфонов или цилиндрических пружин из материала, обладающего эффектом памяти формы, кинематическая связь поршня с валом отбора мощности выполнена в виде штока, прикрепленного к поршню со стороны нижнего упругого элемента и расположенного внутри последнего, в верхней и в нижней частях корпуса или в верхней и в нижней крышках выполнены отверстия для впуска и выпуска горячего и холодного теплоносителей, причем отверстие для впуска горячего теплоносителя и отверстие для впуска холодного теплоносителя сообщены посредством одноименных каналов с установленными в них электроуправляемыми клапанами с общим трубопроводом, подключенным к системе циркуляции горячего и холодного теплоносителей с возможностью поочередной подачи в один из каналов соответствующего теплоносителя, датчики верхнего и нижнего положений поршня установлены в углублениях внутренней поверхности корпуса в его верхней и в нижней частях в зоне верхней мертвой точки поршня и в зоне нижней мертвой точки поршня и выполнены в виде оптронов, включающих связанные оптическим каналом источники и приемники излучения в виде светодиодов и фотодиодов соответственно, прикрепленные к поршню концы упругих элементов выполнены из материала с низкой теплопроводностью, не обладающего эффектом памяти формы.
Материал, обладающий эффектом памяти формы, из которого выполнены диски, представляет собой сплав со следующим содержанием компонентов в массовых долях, %: титан - 20-25, никель - 20-25, медь - 10-15, марганец - 4,5-4,9, цирконий - 1-1,15, иттрий - 0,2-0,25, углерод - 0,005-1,0, железо - остальное.
Указанное сочетание компонентов обусловлено следующими причинами. Марганец, никель и медь усиливают термоупругие мартенситные превращения и коррозионную стойкость стали; углерод выбран в качестве легирующего компонента, потому что он улучшает эффект памяти формы; введение циркония способствует увеличению гистерезиса между прямым и обратным мартенситными превращениями; добавление иттрия способствует пластификации матрицы, которая может охрупчиваться при введении в сплав циркония; концентрационный интервал содержания титана обеспечивает мартенситное превращение, технологичность и улучшение проявления эффекта памяти формы.
Изобретение поясняется чертежом, схематично изображающим описываемый поршневой двигатель.
Поршневой двигатель содержит полый цилиндрический корпус 1 и поршень 2, размещенный в корпусе 1 с возможностью возвратно-поступательных перемещений и кинематически связанный с валом отбора мощности (условно не показан). Двигатель снабжен системой циркуляции горячего и холодного теплоносителей (условно не показана), включающей теплообменники, электроуправляемые клапаны 3 и 4, насосы для подачи горячего и холодного теплоносителей в полость корпуса 1, и системой управления (условно не показана), связанной с системой циркуляции и включающей датчики 5 и 6 верхнего и нижнего положений поршня 2 в корпусе 1.
Корпус снабжен верхней и нижней крышками 7 и 8, а поршень 2 снабжен верхним и нижним упругими элементами 9 и 10, при этом верхний упругий элемент 9 прикреплен одним концом к верхней крышке 7, а другим концом - к поршню 2, нижний упругий элемент 10 прикреплен одним концом к нижней крышке 8, а другим концом - к поршню 2, и оба упругих элемента 9 и 10 выполнены в виде перфорированных сильфонов или цилиндрических пружин из материала, обладающего эффектом памяти формы.
При этом для усиления эффекта элементы 9 и 10 могут быть «настроены» на разные температуры, при которых происходят их деформации. Например, элемент 9 распрямляется при нагревании и сжимается при охлаждении, а элемент 10, наоборот, сжимается при нагревании и распрямляется при охлаждении.
Кинематическая связь поршня 2 с валом отбора мощности выполнена в виде штока 11, прикрепленного к поршню 2 со стороны нижнего упругого элемента 10 и расположенного внутри нижнего упругого элемента 10.
В верхней и в нижней частях корпуса 1 (или в верхней и в нижней крышках 7 и 8) выполнены отверстия 12 и 13 для впуска и выпуска горячего теплоносителя и отверстия 14 и 15 для впуска и выпуска холодного теплоносителя. Отверстие 12 для впуска горячего теплоносителя и отверстие 14 для впуска холодного теплоносителя сообщены посредством одноименных каналов 16 и 17 с установленными в них электроуправляемыми клапанами 3 и 4 с общим трубопроводом 18, подключенным к системе циркуляции горячего и холодного теплоносителей с возможностью поочередной подачи в один из каналов 16 или 17 и соответственно к отверстиям 12 или 14 горячего или холодного теплоносителя.
Датчики 5 и 6 верхнего и нижнего положений поршня 2 установлены в углублениях внутренней поверхности корпуса 1 в его верхней и в нижней частях в зоне верхней мертвой точки поршня 2 и в зоне нижней мертвой точки поршня 2 и выполнены в виде оптронов, обеспечивающих прямое и обратное электрооптическое преобразование и бесконтактное управление подачей теплоносителей и включающих связанные оптическим каналом источники и приемники излучения в виде светодиодов и фотодиодов соответственно (условно не показано). Установка датчиков 5 и 6 в небольших углублениях обеспечивает беспрепятственное скольжение поршня 2 по внутренней поверхности корпуса 1.
Прикрепленные к поршню 2 концы упругих элементов 9 и 10 выполнены из материала с низкой теплопроводностью, не обладающего эффектом памяти формы (условно не показаны). Наличие указанных участков, практически не подверженных деформациям при изменении температуры, предотвращает деформации поршня 2 и обеспечивает его беспрепятственное скольжение по внутренней поверхности корпуса 1.
Поршневой двигатель работает следующим образом.
По сигналам системы управления горячий теплоноситель поступает в трубопровод 18 и далее в канал 16. Когда электроуправляемый клапан 3 открывает отверстие 12, горячий теплоноситель поступает в полость корпуса 1, свободно перетекая через зазоры и перфорацию сильфона или витки пружины - упругих элементов 9 и 10. Вследствие проявления эффекта памяти формы упругие элементы 9 и 10 «вспоминают» свою форму, в результате чего элемент 9, распрямляясь, а элемент 10, сжимаясь, перемещают поршень 2 со штоком 11 в нижнее положение. При этом оптический канал, связывающий источник и приемник излучения датчика 5 верхнего положения, при смещении поршня 2 открывается, а оптический канал, связывающий источник и приемник излучения датчика 6 нижнего положения, перекрывается поршнем 2.
Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрических сигналов системы управления в свет, его передаче по оптическим каналам обратно в систему управления и в последующем преобразовании обратно в электрические сигналы системы управления, обеспечивающей бесконтактное управление подачей теплоносителей насосами, подогрев или охлаждение теплоносителей посредством теплообменников и включение или выключение электроуправляемых клапанов системы циркуляции.
По сигналам системы управления электроуправляемые клапаны закрывают отверстие 12 для впуска горячего теплоносителя и открывают отверстие 13 для выпуска горячего теплоносителя, через которое теплоноситель отсасывается в систему циркуляции.
Затем по сигналам системы управления холодный теплоноситель поступает в трубопровод 18 и далее в канал 17. Когда электроуправляемый клапан 4 открывает отверстие 14, холодный теплоноситель поступает в полость корпуса 1, свободно перетекая через зазоры и перфорацию сильфона или витки пружины - упругих элементов 9 и 10. Вследствие проявления эффекта памяти формы упругие элементы 9 и 10 «вспоминают» свою форму, в результате чего элемент 9, сжимаясь, а элемент 10, распрямляясь, перемещают поршень 2 со штоком 11 в верхнее положение. При этом оптический канал, связывающий источник и приемник излучения датчика 6 нижнего положения, при смещении поршня 2 открывается, а оптический канал, связывающий источник и приемник излучения датчика 5 верхнего положения, перекрывается поршнем 2.
Далее цикл повторяется.
Возвратно-поступательные перемещения поршня 2 преобразуются во вращательное движение вала обычным образом, например посредством кривошипно-шатунного механизма.
В качестве теплоносителя могут быть использованы как жидкости (например, вода), так и газы (например, воздух). Причем замкнутая система циркуляции позволяет использовать в нагретом или охлажденном состоянии один и тот же теплоноситель, периодически подаваемый в полость корпуса.
Изобретение обеспечивает создание надежного и простого двигателя, удобного в эксплуатации и обеспечивающего экологическую безопасность за счет исключения углеводородного топлива и всех связанных с его сжиганием проблем.