ДВИГАТЕЛЬ
ENGINE

Изобретение относится к энергосберегающим технологиям и может быть использовано в машиностроении, в частности в двигателестроении, для преобразования тепловой энергии в механическую и осуществляется за счет линейной тепловой деформации твердых тел.
В двигателе по заявке 2007103783, содержащем неподвижный остов, рычаги, держатели, теплораспределительную систему и гибкие натянутые деформируемые элементы, закрепленные с возможностью удлинения одной части при нагревании посредством теплораспределительной системы и укорачивания при охлаждении этой системы их другой части и соединенные с кривошипно-шатунным механизмом, связанным с центральным рычагом, которые расположены между рычагами, оси вращения которых параллельны, крутящийся момент образуется периодическим действием на один из двух параллельных рычагов большого количества натянутых гибких тонких нитей, размещенных по площади, чем обеспечивается баланс между силой тепловой деформации элементов и ее величиной смещения, достаточной для использования их в качестве силовой установки двигателя, сравнимого с давлением рабочего тела, диаметром цилиндра и ходом поршня двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
В данном техническом решении создание поворотного момента параллельных рычагов производится непосредственно элементами, подвергаемыми линейной тепловой деформации и соединенными с ними концами, состоящими из разницы плеч их соединений с параллельными рычагами до соответствующих осей поворота - на действие и продолжительность силы тепловой деформации элементов, изменение длины которых незначительно по сравнению с ходом поршня у ДВС, для достижения которого увеличивается длина рычагов, конец одного из них или результирующего (центрального) соединен через шатун с кривошипно-шатунным механизмом.
К недостаткам данного варианта относится соединение элементов непосредственно или через промежуточные детали к рычагам, что при условии их большого количества и размещения по площади увеличивает длину рычагов как одну из сторон, чем ограничивается разнообразность конструктивных решений двигателя.
Сущность состоит в том, что элементы, подвергаемые тепловой деформации, соединены с рычагами двух параллельных осей через промежуточное звено, соединенное шарнирно с рычагами и параллельное прямой, соединяющей их центры поворотов, при этом элементы располагаются вдоль рычагов с размещением площади, одна из сторон которой равна межосевому расстоянию, что расширяет конструктивные возможные исполнения технического решения.
Конструктивно пакет элементов поворачивается на девяносто градусов, где стороны, образующие площадь их соединения, состоят из расстояния между рычагами одной оси и расстояния между рычагами двух параллельных осей с длиной элементов, равной длине рычагов, тогда как в предыдущем варианте стороны площади их количества соединений состояли из того же расстояния между рычагами одной оси и длины этих рычагов, а длина элементов определялась как межосевое расстояние двух параллельных осей поворота рычагов.
Известно техническое решение из патента RU 2032923, где элементы расположены между двумя параллельными двуплечими рычагами, уравновешивающими их с образованием балансиров и с возможностью размещения их по площади, оси которых параллельны и находятся на пересекающихся рычагах.
Недостатком известного технического решения является сложная конструкция и невысокая надежность.
Задачей настоящего изобретения является экономия топлива при использовании в системах ДВС, что обеспечивает экологическую безопасность, и упрощение конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, что в двигателе, содержащем неподвижный остов, рычаги, держатели, теплораспределительную систему и гибкие натянутые деформируемые элементы, закрепленные с возможностью удлинения одной части при нагревании посредством теплораспределительной системы и укорачивания при охлаждении этой системой их другой части и соединенные с кривошипом кривошипно-шатунного механизма, гибкие натянутые элементы расположены между звеньями и шарнирно соединены с ними, а звенья шарнирно установлены на рычагах.
Техническим результатом, достигаемым в изобретении, является возможность применения двигателя в качестве гибридного двигателя с преобразованием тепла отработанных газов посредством теплораспределительной системы, установленной вместо системы сжигания топлива.
Двигатель содержит неподвижный остов - звено-корпус 3, звенья-рычаги 1, 2, 4, держатели, теплораспределительную систему (не показана) и гибкие натянутые деформируемые элементы 5, закрепленные с возможностью удлинения одной части при нагревании и укорачивания при охлаждении их другой части и соединенные с кривошипно-шатунным механизмом (не показан), причем гибкие натянутые элементы 5 расположены между звеньями 1, 2, 3, 4 и шарнирно соединены с ними, а звенья шарнирно установлены на рычагах.
Сущность изобретения поясняется на базе графических изображений, где на фиг.1, 2 и 3 изображен принцип соединения элементов к дополнительному подвижному звену, фиг.4, 5 - принцип размещения управления элементами с тепловой деформацией между параллельными подвижными звеньями двуплечих рычагов, фиг.6, 7 - размещение элементов между параллельными звеньями, закрепленными шарнирно на одном двуплечем рычаге, фиг.8, 9, 10, 11 - пример осуществления изобретения, фиг.12 - пример конструкции двигателя с одним рычагом.
Фиг.1. Рычаги 1, 2 равной длины закреплены шарнирно в узлах А и В к неподвижному звену-корпусу 3 и уравновешены жестким звеном 4, соединенным шарнирно в узлах С и Д параллельно звену-корпусу 3 с образованием шарнирного четырехзвенного механизма, а деформируемые от перепада температур гибкие элементы 5 соединены шарнирно в узлах К и Е со звеном-корпусом 3 и подвижным жестким звеном 4 соответственно и параллельны рычагам 1 и 2.
При действии внешней силы рычаги 1, 2 вращаются синхронно вокруг узлов А и В из-за шарнирного соединения к ним жесткого звена 4 и вместе с ними элемент 5 вокруг шарнирного узла К с описанием ими равных окружностей шарнирными узлами С, Д и Е равностью их расстояния до звена-корпуса 3 и соответствующих на нем шарнирных узлов А, В и К, где работоспособность многошарнирного механизма обеспечивает гибкость дополнительных элементов 5 аналогично работе механизма при соединении элемента 5 к рычагам 1, 2 параллельно звену 4, как в основном изобретении.
Фиг.2. При соединении элемента 5 к звену-корпусу 3 или подвижному звену 4 с возможностью изменения расстояния между шарнирными узлами А и В или С и Д с непараллельным положением относительно рычагов 1 и 2, например, с помощью ползунов 6 при повороте в одну сторону вызывает увеличение длины элемента 5, где при теоретическом выстраивании всех звеньев 1, 2, 4, 5 в одну линию со звеном-корпусом 3, величина удлинения элемента 5 будет равна величине смещения шарнирных узлов К и Е от своего первоначального параллельного положения, компенсирующей ее линейным тепловым расширением при нагревании, при охлаждении которого произойдет его сокращение длины (фиг.3) с совершением полезной работы поворотом четырехзвенного механизма в обратную сторону, причем поворотный момент складывается из разницы непараллельности элемента 5 к рычагам 1, 2 так же, как и при соединении элемента 5 к рычагам 1, 2 с образованием поворотного момента от разницы расстояний соединений до осей поворота.
Фиг.4, 5 - вид сверху. Пара двуплечих рычагов 1, 2 с подвижными параллельными звеньями 4 на концах с расположенными элементами 5 между ними с помощью держателей 7 позволяет использовать одно звено-корпус 3 между ними с одним механизмом смещения на нем для создания непаралельности рычагам 1, 2, например с одним ползуном 6, с разделением по нему теплоносителя с перераспределением потока теплоносителя без его прерывания и выполняемых функции частей элементов 5, чем при их креплении непосредственно к рычагам 1, 2 с необходимостью второй пары рычагов 1, 2 и элементами 5 между ними с противоположной геометрией и выполняемой функции, что приводит к более широкому выбору оптимальной конструкции двигателя.
Возможность уравновешивания двуплечих рычагов 1, 2 с помощью элементов 5 позволяет создать конструкции двигателей, где используется пара рычагов 1, 2 с одной осью вращения (фиг.6) с выполнением подвижными звеньями 4 параллельных балансиров или одного рычага 1 или 2 (фиг.7) с одной осью А или В вращения с уравновешиванием элементами 5 как подвижных звеньев 4, так и держателей 7, чем еще более совершенствуется конструкция предлагаемых двигателей.
На фиг.8, 9, 10, 11 - вид со стороны шатуна в прямоугольных проекциях с питанием и газораспределением от двс, изображен предлагаемый двигатель по схеме фиг.3.
Двигатель состоит из тех же описанных основных деталей и узлов: неподвижного звена-корпуса 3, двух шарнирных узлов А и В в виде двух валов 8 и 9, установленных в звене-корпусе 3, на которых жестко закреплены по две пары рычагов 1 и 2, на концах которых между верхним и нижним в шарнирных узлах С и Д установлены по две пары подвижных параллельных звеньев 4 с держателями 7, между которыми соответствующие узлам Е расположены натянутые гибкие элементы 5, которые в средней части в узле К соединены с держателями 7 пары ползунов 6, соединенных со звеном-корпусом 3 с возможностью вертикального смещения.
Верхний ведущий вал 9 и нижний ведомый вал 8 установлены параллельно между собой в центре звена-корпуса 3, состоящего из двух торцовых стенок формы траектории движения рычагов 1 и 2, и разделяют его на две симметричные части вместе с двумя звеньями-корпусами 3 и держателями 7. К торцовой части звена-корпуса 3 с одной стороны соединены подводящие и отводящие трубопроводы 10 и 11 двигателя внутреннего сгорания 12, коленчатый вал 13 которого через эксцентрик 14, шатун 15 и рычаг 16 связан с ведущим валом 9, а с другой противоположной торцовой части звена-корпуса 3 имеется общее выходное отверстие 17 и на обоих торцовых частях звена-корпуса 3 имеются пазы, в которые входят упоры 18 ползунов 6 с приводом от гидроцилиндра 19 и управляющего механизма 20. Рычаги 1, 2 и подвижные звенья 4 имеют уплотнительные крышки 21 и 22, прилегающие к внутренним поверхностям торцовых стенок звена-корпуса 3 и между собой с целью подвижной герметизации образованных камер 23 и 24.
Двигатель с двухтактным циклом преобразует тепловую энергию выхлопных газов четырехтактного ДВС 12 в механическую следующим образом.
Такт выпуска одного из четырех цилиндров двс 12 происходит за пол-оборота коленчатого вала 13 движением поршня из нижней мертвой точки к верхней мертвой точки с открытием выпускного клапана и удалением из него нагретых выхлопных газов через трубопроводы 10 по известному принципу работы, которые подсоединены через торцовую стенку звена-корпуса 3 к одной из двух камер 23 с проходом их через элементы 5 и выходом через выходное отверстие задней стенки звена-корпуса 3. Одновременно рычаги 1, 2 совершают поворот из одного крайнего положения в другое с перемещением подвижного звена 4 из одного параллельного положения в другое, и при смещении и фиксации ползуна 6 в сторону, противоположную движению рычагов 1, 2 и подвижного звена 4, элементы 5 должны увеличиться в длине и не препятствовать их движению, что и происходит при их нагреве от выхлопных газов, причем элементы 5 за четверть оборота из плотного положения между собой занимают с освобождением пространства между собой и увеличением объема камеры 23 с совершением работы остаточного давления выхлопных газов при достаточной герметизации камеры 23 уплотнительными крышками 21 и 22 с последующим вытеснением из камеры 23 охлажденных от контакта со сближающимися элементами 5 и уменьшением объема камеры 23.
Одновременно за те же пол-оборота коленчатого вала 13 в другом цилиндре двс 12 при открытом впускном клапане и движении поршня вниз происходит такт впуска по известному принципу работы двигателя внутреннего сгорания, воздух для которого поступает из общего отверстия второй камеры 24 с проходом его сквозь элементы 5 и впускные трубопроводы 11, присоединенные к торцовой части звена-корпуса 3 с противоположной стороны. Противоположные концы двуплечих рычагов 1, 2 вместе с подвижным звеном 4 совершают противоположное движение по сравнению с их движением в камере 23 за счет теплового сокращения длины охлаждаемых элементов 5 с совершением полезной работы, т.к. при том же общем смещении и положении ползуна 6 в рассматриваемой камере 24 в сторону движения соответствующего звена 4 уменьшается расстояние между креплениями элементов 5. Нагретый от элементов 5 воздух занимает больший объем с некоторой возможной потерей мощности ДВС 12, восполняемой дополнительным охлаждением его перед поступлением в цилиндр.
При следующем полуобороте коленчатого вала 13 такт выпуска отработанных газов и впуск воздуха происходит в других цилиндрах ДВС 12 согласно порядку работы с переменой описанных тактов в камерах 23 и 24 путем соединения их с соответствующими впускными и выпускными трубопроводами 11 и 10.
Концы рычагов 1, 2 с подвижным звеном 4 камеры 23 совершают обратное движение в сторону смещения ползуна 6 за счет стягивающей силы охлаждаемых элементов 5 от поступающего воздуха в цилиндр ДВС, а в камере 24 рычаги 1, 2 с подвижным звеном 4 так же совершают обратное движение при том же положении ползуна 6 с нагревом и тепловым удлинением этой части элементов 5, не препятствуя работе стягивающей силы противоположной части элементов 5 в камере 23.
Фиг.12. Двигатель с одной осью качения рычагов и автономным питанием.
Состоит из звена-корпуса 3, торцовые стенки которого имеют размеры с возможностью перекрытия движущихся внутренних полостей и установленных на одной из них входных устройств 25 с постоянным сообщением с внутренней полостью, в которую входит вентилятор 26 с приводом 27 от выходного вала 28, форсунки 29 подачи топлива и устройство зажигания 30 с прерывателем-распределителем 31, установленным на выходном валу 28, на второй торцовой части корпуса 3 находится общее выходное отверстие 17 с перекрытием внутренней полости. Между торцовыми стенками звена-корпуса 3 в центральной части шарнирно установлен вал 8 (или 9), на котором жестко закреплены два двуплечих рычага 1 (или 2), на концах которых в свою очередь закреплены шарнирно центральными частями звенья 4 с держателями 7 элементов 5 между ними, которые в свою очередь вторым концом закреплены с держателями 7 ползунов 6, установленных в центральной части двигателя и имеющих отверстия под вал 8 и с разделением по нему внутренней полости на две симметричные части, упоры 18 которого входят в направляющие 32, выполненные в виде прорезей на торцовых стенках звена-корпуса 3 с приводом от исполнительного гидроцилиндра 19. Вал 8 с другой стороны выступает за пределы звена-корпуса 3, на котором жестко установлен рычаг 16, связанный через шатун 15 с эксцентриком выходного вала 28 с меньшим плечом и с возможностью преобразовывать качательное движение центрального рычага 16 во вращение выходного вала 28. Герметизация внутренней полости осуществляется кожухами 21 и 22, расположенными параллельно рычагам 1 и подвижным звеньям 4 с прилеганием к внутренним поверхностям торцовых стенок звена-корпуса 3 и закрепленными шарнирно на осях 33 крайних держателей 7.
Принцип работы двигателя не отличается от вышеописанного двигателя и протекает в той же последовательности.
За полуоборот выходного вала 28 рычаги 16 из одного крайнего положения переходят в другое крайнее положение с синхронным параллельным переходом звеньев 4 из одного крайнего положения в другое и с совершением в обеих камерах 23 и 24 противоположных тактов полного цикла - такта удлинения элементов 5 соответствующей камеры и рабочий такт сокращения элементов 5 в другой камере. Предварительно ползуном 6 с помощью гидроцилиндра 19 задается необходимая рабочая геометрия элементам 5, при которой их центры поворотов на держателях 7 смещаются по вертикали от своего прежнего нейтрального положения и от центров поворота рычагов 8 и они становятся непараллельные прямой, соединяющей шарнирные концы рычагов 8. В крайних и в других положениях подвижных звеньев 4 их параллельность поддерживается равнодействием элементов 5 по обе стороны от оси его поворота.
Процесс удлинения элементов 5 протекает в камере при движении звена 4 в противоположную сторону от смещения ползуном 6 центров поворотов элементов 5 на держателях 7 путем прогона через них воздуха вентилятором 26 с приводом 27 от выходного вала 28, нагретого от сжигания в нем топлива, подаваемого и воспламеняемого форсункой 29 и системой зажигания 30 от прерывателя-распределителя 31, связанной с выходным валом 28 как система зажигания у двс 12 с выходом в атмосферу через общее отверстие 17. Если в двигателе внутреннего сгорания теплота сгоревшего топлива непосредственно преобразуется через создаваемое давление в полезную работу, то в предлагаемом варианте теплота сгоревшего топлива служит для предварительного нагрева элементов 5.
Процесс укорачивания элементов 5 происходит в камере при движении звена 4 в сторону смещения ползуном 6 держателей 7 путем прогона через эту часть элементов 5 воздуха вентилятором 26 без сгорания в нем топлива, чем производится их охлаждение с совершением полезной работы силой теплового линейного сжатия.
Возможно применение двигателя в качестве гибридного двигателя с преобразованием отработанных газов вторым и последующими двигателями с установкой на них вместо системы сжигания топлива распределительных заслонок с полным преобразованием тепловой энергии сгоревшего топлива, тогда как в двс этого достичь невозможно.