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 поршневой двигатель, например поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий полый цилиндрический корпус и поршень, размещенный в корпусе и кинематически 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 в поршневом двигателе, содержащем полый цилиндрический корпус и поршень, размещенный в корпусе и кинематически связанный с валом отбора мощности, корпус снабжен верхней и нижней крышками, по оси корпуса установлен направляющий неподвижный шток, на котором соосно ему расположен поршень, выполненный в виде пакета дисков из материала, обладающего эффектом памяти формы, диски в пакете расположены попарно с возможностью прогиба дисков в паре в противоположных направлениях с образованием полости между ними и у всех дисков пакета центральные кольцевые участки, охватывающие направляющий неподвижный шток, выполнены из материала с низкой теплопроводностью, не обладающего эффектом памяти формы, кинематическая связь поршня с валом выполнена в виде подвижного полого штока, прикрепленного к нижнему диску нижней пары пакета дисков, связанного кривошипно-шатунным механизмом с валом, коаксиального направляющему неподвижному штоку, охватывающего направляющий неподвижный шток с возможностью совершения вдоль него возвратно-поступательных перемещений при изменении дисками своей формы и имеющего буртик, расположенный с возможностью взаимодействия с закрепленным в нижней части корпуса или на нижней крышке корпуса ограничителем перемещения подвижного штока, в каждом диске выполнена пара диаметрально расположенных сквозных отверстий для прохода теплоносителей, причем каждая пара отверстий в каждом следующем диске пакета смещена на 90° по отношению к паре отверстий в предыдущем диске, в нижней крышке выполнено сквозное отверстие для подачи холодного теплоносителя, в верхней крышке выполнены сквозные отверстия для подачи горячего теплоносителя и для выпуска холодного теплоносителя, в нижней части корпуса выполнено сквозное отверстие для выпуска горячего теплоносителя, в верхней крышке со стороны поршня выполнена кольцевая проточка, сообщенная с отверстиями в этой крышке для подачи горячего теплоносителя и для выпуска холодного теплоносителя, а также сообщенная с отверстиями в дисках и с образующимися полостями между ними, в верхней и нижней крышках установлены датчики температуры, в отверстиях верхней и нижней крышек и в отверстии корпуса установлены электроуправляемые клапаны, причем датчики и клапаны связаны с системой управления, с которой также связаны теплообменники и насосы системы циркуляции теплоносителей.
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 чертежами, где на фиг.1 схематично изображен описываемый поршневой двигатель; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - двигатель в момент срабатывания одного из дисков; на фиг.4 - двигатель в момент срабатывания пары дисков.
Поршневой двигатель содержит полый цилиндрический корпус 1 и поршень, размещенный в корпусе 1 и кинематически связанный с валом отбора мощности (условно не показан). Корпус 1 снабжен верхней и нижней крышками 2 и 3, по оси корпуса 1 установлен направляющий неподвижный шток 4, на котором соосно ему расположен поршень, выполненный в виде пакета дисков 5 из материала, обладающего эффектом памяти формы; диски 5 в пакете расположены попарно с возможностью прогиба дисков 5 в паре в противоположных направлениях с образованием полости 6 между ними (фиг.4).
У всех дисков 5 пакета имеются центральные кольцевые участки (условно не показаны), охватывающие направляющий неподвижный шток 4 и выполненные из материала с низкой теплопроводностью, не обладающего эффектом памяти формы. Наличие указанных участков, практически не подверженных деформациям при изменении температуры, обеспечит беспрепятственное скольжение дисков 5 вдоль неподвижного штока 4.
Кинематическая связь поршня с валом выполнена в виде подвижного полого штока 7, прикрепленного к нижнему диску нижней пары пакета дисков 5, связанного кривошипно-шатунным механизмом с валом, коаксиального направляющему неподвижному штоку 4, охватывающего направляющий неподвижный шток 4 с возможностью совершения вдоль него возвратно-поступательных перемещений при изменении дисками 5 своей формы и имеющего буртик 8, расположенный с возможностью взаимодействия с закрепленным в нижней части корпуса 1 или на нижней крышке 3 корпуса 1 ограничителем 9 перемещения подвижного штока 7.
В нижней крышке 3 выполнено сквозное отверстие 10 для подачи холодного теплоносителя, а в верхней крышке 2 выполнены сквозные отверстия 11 и 12 для подачи горячего теплоносителя и для выпуска холодного теплоносителя соответственно. В верхней крышке 2 со стороны поршня выполнена кольцевая проточка 13, сообщенная с отверстиями 11 и 12 в этой крышке для подачи горячего теплоносителя и для выпуска холодного теплоносителя, а в нижней части корпуса 1 выполнено сквозное отверстие 14 для выпуска горячего теплоносителя.
В верхней и нижней крышках 2 и 3 установлены датчики 15 температуры, а в отверстиях 10, 11 и 12 верхней и нижней крышек 2 и 3 и в отверстии 14 корпуса 1 установлены электроуправляемые клапаны (условно не показаны); причем датчики и клапаны связаны с системой управления, с которой также связаны теплообменники и насосы системы циркуляции теплоносителей (условно не показаны). Датчики 15 могут быть установлены не в крышках 2 и 3, а в верхней и в нижней частях корпуса 1.
В каждом диске 5 выполнена пара диаметрально расположенных сквозных отверстий 16 для прохода теплоносителей, причем каждая пара отверстий 16 в каждом следующем диске 5 пакета смещена на 90° по отношению к паре отверстий 16 в предыдущем диске 5, что способствует удержанию теплоносителя в полостях 6 и эффективному нагреву или охлаждению (фиг.2). Проточка 13 сообщена с отверстиями 16 в дисках 5 и с полостями 6 между ними. В зависимости от условий изготовления и эксплуатации отверстие 11 для подачи горячего теплоносителя и отверстие 12 для выпуска холодного теплоносителя могут быть выполнены не в верхней крышке 2, а в верхней части корпуса 1, а отверстие 10 для подачи холодного теплоносителя может быть выполнено не в нижней крышке 3, а в нижней части корпуса 1. Тогда надобность в проточке 13 отпадает.
Поршневой двигатель работает следующим образом.
По сигналу системы управления электроуправляемый клапан открывает отверстие 11, и горячий теплоноситель поступает в кольцевую проточку 13, отверстия 16 и зазоры между дисками 5 и корпусом 1 и нагревает диски 5. Вследствие проявления эффекта памяти формы диски 5 «вспоминают» свою форму и, изгибаясь в противоположных направлениях, образуют полости 6, которые заполняются горячим теплоносителем. При своем прогибе диски 5 перемещают полый подвижный шток 7 вниз до взаимодействия его буртика 8 с ограничителем 9 перемещения штока 7. При этом температура в полости корпуса 1 повышается, срабатывает датчик 15 температуры, и по сигналам системы управления электроуправляемые клапаны закрывают отверстие 11 в верхней крышке 2 и открывают отверстие 14 в нижней части корпуса 1, через которое горячий теплоноситель отсасывается в систему циркуляции теплоносителей.
Затем по сигналу системы управления электроуправляемый клапан открывает отверстие 10, и холодный теплоноситель поступает в полость корпуса 1 и через зазоры и отверстия 16 поступает в полости 6 между дисками 5, охлаждая их. Сочетание компонентов в сплаве, из которого выполнены диски 5, обеспечивает деформацию полученной мартенситной структуры полностью обратимой. При охлаждении дисков 5 происходит их обратная деформация, в результате которой диски 5 выпрямляются, полости 6 между ними охлопываются, а прикрепленный к нижнему диску 5 шток 7 перемещается вверх (фиг.1). При этом температура в полости корпуса 1 понижается, срабатывает датчик 15 температуры, и по сигналам системы управления электроуправляемые клапаны закрывают отверстие 10 в нижней крышке 3 и открывают отверстие 12 в верхней крышке 2, через которое холодный теплоноситель отсасывается в систему циркуляции теплоносителей. Далее цикл повторяется.
Для увеличения плавности движения диски 5 в каждой паре могут быть «настроены» на разные температуры, при которых происходят их деформации. Например, таким образом, чтобы, не преодолевая сопротивление остальных дисков пакета, первым под влиянием горячего теплоносителя, поступающего через отверстия и зазоры, изгибался бы нижний диск нижней пары пакета дисков 5, потом следующий за ним и т.д. (фиг.3 и фиг.4). При охлаждении диски 5 деформируются снизу вверх в обратном порядке, выдавливая из полостей 6 холодный теплоноситель в проточку 13 и далее в отверстие 12.
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.