пружинный двигатель в.с.григорчука

Формула изобретения

1. Пружинный двигатель, содержащий верхний и нижний блоки с размещенными в них цилиндрами, шатунно-поршневой группой, коленчатым валом, кинематически связанными друг с другом, генератор постоянного тока, связанный с коленчатым валом, механизм привода вспомогательных агрегатов, системы электрооборудования, смазки, запуска и остановки, отличающийся тем, что поршни двигателя выполнены в форме стаканов, шарнирно соединенных с шатунами, внутри которых расположены стержни, кинематически связанные посредством неравноплечих рычагов со штоками силовых гидроцилиндров, размещенных на верхнем блоке двигателя и механически соединенных с гидрораспределительными механизмами, установленными на верхних крышках силовых гидроцилиндров.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела использованы силовые пружины, размещенные внутри рабочих цилиндров, верхние концы которых контактируют с крышкой верхнего блока, а нижние входят внутрь поршней, установленных в цилиндрах на шарикоподшипниках.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что гидрораспределительные механизмы гидравлически соединены с масляным баком и масляным насосом, который механически связан с электродвигателем, подключенным к аккумуляторным батареям.

4. Двигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что узел отбора мощности выполнен в форме генератора постоянного тока, электрически соединенного с аккумуляторными батареями, а механически связанного с коленчатым валом через повышающий редуктор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве силовой установки на автомобилях, летательных аппаратах, судах и железнодорожных локомотивах.

Известен четырехтактный карбюраторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, системы питания, электрооборудования, охлаждения, смазки и запуска (В.А. Вершигора и др. Автомобиль ВАЗ-2121 "Нива". М. Транспорт, 1980, с. 5 66).

Недостатками известного карбюраторного двигателя являются большие тепловые потери, значительный расход органического топлива, сильное загрязнение окружающей среды выхлопными газами. Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя. Известен также четырехтактный дизельный двигатель 6Д49 с газотурбинным наддувом, содержащий блок двигателя с кривошипно-шатунным механизмом и цилиндро-поршневой группой, газораспределительный механизм, механизм привода насосов, вентилятора, механизм уравновешивания сил инерции, система питания с механизмом управления топливными насосами, система воздухоснабжения и выпуска отработанных газов с турбокомпрессором, системы охлаждения, смазки, электрооборудования и запуска (Г.Я. Белобаев и др. Под редакцией Л.С. Назарова. Маневровые тепловозы. М. Транспорт, 1977, с. 31 53).

Известный двигатель 6Д48, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип. Недостатки известного дизельного двигателя 6Д49, принятого за прототип, те же.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя.

Техническим результатом изобретения является повышение эксплуатационных качеств двигателя.

Данный результат согласно изобретению обеспечивается тем, что газораспределительный механизм, механизм привода насосов и вентилятора, механизм уравновешивания сил инерции, система питания с механизмом управления топливными насосами, система воздухоснабжения и выпуска отработанных газов с турбокомпрессором, система охлаждения, поршневая группа заменены поршнями в форме стаканов, установленных внутри рабочих цилиндров на шарикоподшипниках и имеющих в средней части стержни, проходящие через отверстия крышки верхнего блока рабочих цилиндров и соединенные шарнирно с большими плечами неравноплечных рычагов, закрепленных в средней части на осях, гидрораспределительным механизмом, состоящим из распределительных кранов, золотники которых механически связаны со штоками силовых цилиндров, масляного бака, масляного насоса, соединенных между собой трубопроводами, причем масляный насос механически соединен с электродвигателем, питаемым током от аккумуляторных батарей, кроме того, внутрь рабочих цилиндров вставлены рабочие пружины, упирающиеся своими концами с одной стороны в днища поршней, а с другой в стенки крышки блока рабочих цилиндров, повышающим редуктором, входной вал которого механически связан с коленчатым валом двигателя, а выходные валы механически соединены с масляным насосом системы смазки двигателя, регулятором частоты вращения вала двигателя, генератором постоянного тока, электрически соединенного с аккумуляторными батареями.

На фигуре 1 изображен общий вид пружинного двигателя; на фигуре 2 вид на двигатель сверху; на фигуре 3 вид на двигатель спереди; на фигуре 4 вид на двигатель спереди в разрезе; на фигуре 5 вид на двигатель сбоку в разрезе; на фигуре 6 общий вид поршня двигателя; на фигуре 7 вид справа на поршень двигателя; на фигуре 8 кинематическая схема двигателя; на фигуре 9 - общий вид силового гидроцилиндра; на фигуре 10 вид справа на силовой гидроцилиндр; на фигуре 11 общий вид гидрораспределительного механизма; на фигуре 12 вид на гидрораспределительный механизм сверху; на фигуре 13 вид на гидрораспределительный механизм сбоку; на фигуре 14 разрез по А-А фигуры 13; на фигуре 15 гидравлическая схема гидрораспределительного механизма; на фигуре 16 схема механизма управления с регулятором частоты вращения вала двигателя; на фигуре 17 общий вид неравноплечего рычага; на фигуре 18 вид сверху на неравноплечий рычаг; на фигурах 19 и 20 схема принципа действия пружинного двигателя; на фигуре 21 диаграмма работы двигателя.

Двухтактный пружинный двигатель содержит верхний блок 1, к которому болтами привернут нижний блок 2, в котором на коренных подшипниках 3 установлен коленчатый вал 4, каждое колено которого смещено относительно предыдущего на 90^oC. Верхний блок имеет рабочие цилиндры 5, 6, 7, 8, внутрь которых вставлены на шарикоподшипниках 9, размещенных в сферических гнездах 10, рабочие поршни 11, 12, 13, 14, которые шарнирно посредством шатунов 15, 16, 17, 18 соединены с коленчатым валом. На переднем конце коленчатого вала закреплен маховик 19, а на заднем конце закреплена ведущая шестерня 20 повышающего редуктора 21, входящая в зацепление с шестерней 22 привода масляного насоса 23 системы смазки двигателя, регулятора 24 частоты вращения вала двигателя и малой шестерней 25 промежуточного вала 26, большая шестерня 27 которого входит в зацепление с шестерней 28 генератора постоянного тока 29.

Каждый поршень представляет собой пустотелый цилиндр 30, в нижней части имеющий дно, которое снаружи выполнено заодно с шарниром 31, а внутри соединено со стержнем 32, на верхний конец которого навернута сферическая гайка 33, закрепленная контргайкой 34. Все стержни рабочих поршней пропущены через отверстия в крышке 35 верхнего блока и прорези неравноплечих рычагов 36, 37, 38, 39, которые установлены на осях 40 стоек 41, выполненных на крышках верхнего блока двигателя. Короткие плечи неравноплечих рычагов шарнирно соединены со штоками силовых гидроцилиндров 42, 43, 44, 45, закрепленных на кронштейнах 46 верхнего блока двигателя.

Внутрь цилиндров верхнего блока двигателя вставлены силовые пружины 47, 48, 49, 50, концы которых контактируют с одной стороны с днищами рабочих поршней, а с другой стороны с крышкой верхнего блока. Все силовые гидроцилиндры одинаковы по конструкции, и каждый из них содержит цилиндрический корпус 51, закрытый передней 52 и задней 53 крышками. Через отверстие в передней крышке пропущен шток 54, соединенный с поршнем 55 и имеющий шарнир 56, на котором расположен прямоугольный кулачок 57 привода подвижной рамки распределительного крана гидросистемы. Двухпозиционные распределительные краны 58, 59, 60, 61 гидросистемы двигателя закреплены болтами на передних крышках силовых гидроцилиндров и имеют одинаковое устройство. Каждый из них содержит корпус 62 с отверстием внутри, в которое вставлен цилиндрический золотник 63, имеющий перепускное отверстие 64, углубление 65, в которое входит Т-образный стержень 66, соединяющий золотник с подвижной рамкой 67, установленной в пазах корпуса. Т-образный стержень привернут болтами к подвижной рамке, имеющей планки 68 и 69, в которые ввернуты регулировочные болты 70 и 71 с гайками 72 и 73. Между планками каждой из подвижных рамок размещены кулачки привода. Каждый золотник имеет два положения, которые фиксируются с помощью фиксатора 74, нагруженного пружиной 75.

Подвижная рамка установлена в пазах корпуса с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. Внутри корпуса распределительного крана выполнены сверления 76, 77, 78, в которые ввернуты штуцеры 79, 80, 81. В нижней части корпус распределительного крана имеет отверстия 82 для крепления к верхней крышке силового гидроцилиндра, а в верхней части к корпусу привернута крышка 83. Гидравлическая система содержит масляный бак 84, масляный насос 85 с редукционным клапаном 86. Внутренние полости силовых гидроцилиндров и распределительных кранов связаны между собой соединительными трубопроводами 87 и 88, а подключены к насосу через нагнетательную 89 и сливную 90 магистрали. Масляный насос гидросистемы привернут болтами снаружи к верхнему блоку двигателя и посредством соединительной муфты механически связан с валом электродвигателя 91, питаемого током аккумуляторных батарей 92, которые через реле-регулятор и реле обратного тока (не показаны) соединены электрически с генератором постоянного тока.

Регулятор частоты вращения вала двигателя содержит конус 93, размещенный на валу 94, установленный на подшипниках. Внутри конус имеет продольные пазы 95, в которые вставлены шарики 96. Внутри конуса входит конец первого подвижного вала 97, имеющего в передней части шайбу 98, контактирующую с шариками, установленного в подшипниках с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, на заднем конце которого закреплен ползунок потенциометра 99. Второй подвижный вал 100 установлен в подшипниках с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости и имеет шарнир, который тягой 101 соединен с шарниром ручки управления 102, закрепленной на оси 103, нижний конец которой связан с ползуном потенциометра 104. Между торцами первого и второго подвижных размещена пружина 105. Оба потенциометра включены последовательно с включателем 106 в цепь электродвигателя привода масляного насоса. Неравноплечий рычаг предназначен для соединения рабочего поршня двигателя со штоком силового гидроцилиндра. Он представляет собой тело 107 в форме лекальной кривой, имеющее на передней части вилку 108, а в задней части отверстие 109 и прорезь 110 для соединения с шарниром штока. Пружинный двигатель имеет комбинированную систему смазки, состоящую из стандартных узлов и деталей, присущих двигателям (на чертежах не показана). На внешней части блока двигателя закреплен стартер 111, имеющий шестерню запуска 112. Двигатель стартера в целях экономии энергии может быть гидравлическим. Система электрооборудования включает в себя датчики и приборы контроля давления и температуры масла в системе смазки двигателя, гидросистеме, датчик и прибор контроля частоты вращения вала двигателя, прибор контроля заряда и разряда аккумуляторных батарей, сигнальные лампочки, предохранители и т.д. (не показана).

Гидрораспределительные механизмы закрыты кожухами 113, 114, 115, 116.

Работа пружинного двигателя.

Работа пружинного двигателя основана на использовании энергии предварительно сжатых в соответствии с порядком работы двигателя пружин, используемых в качестве рабочего тела.

В исходном положении (фиг. 19) электродвигатель 91 включается посредством включателя 106, масляный насос 85 подает масло в напорную магистраль 89. Включается стартер 111, шестерня 112 которого входит в зацепление с зубчатым венцом маховика 19 и начинает поворачивать коленчатый вал 4. Золотник 63 находится в верхнем положении. Масло, подаваемое внутрь корпуса 51 силового гидроцилиндра 42, давит на поршень 55, и он вместе со штоком 54 перемещается вниз и поворачивает неравноплечий рычаг 36 вокруг оси 40. Большее плечо неравноплечего рычага 36, перемещаясь вверх, перемещает также вверх стержень 32 со сферической гайкой 33 и вместе с ними рабочий поршень 11, сжимая силовую пружину 47. Как только коленчатый вал 4 наберет некоторую скорость, стартер 111 отключается. При достижении рабочим поршнем 11 верхней мертвой точки (ВМТ) кулачок 57 на штоке 54 силового гидроцилиндра 42 передвинет рамку 67 и вместе с ней и золотник 63 вниз крана переключения 58. На этом подготовительный ход заканчивается, маховик 19 при этом совершает движение от 185^o до 360^o (на фигуре 21 заштриховано). Достигнув положения, показанного на фигуре 19 пунктиром, а на фигуре 20 сплошными линиями, маховик 19 выведет рабочий поршень 11 из верхней мертвой точки и, как только коленчатый вал 4 повернется на 5^oC от ВМТ, силовая пружина 47, ничем не удерживаемая, станет разжиматься и производить давление на рабочий поршень 11, который, совершая рабочий ход, передает усилие силовой пружины 47 через шатун 15 на кривошип коленчатого вала, приводя его во вращение. Рабочий поршень, перемещаясь вниз, поворачивает неравноплечий рычаг 36 и передвигает вместе со штоком 54 поршень 55 силового гидроцилиндра 42, вытесняя масло из полости в масляный бак 84. При этом для уменьшения сопротивления и тем самым увеличения силы давления силовой пружины 47 на рабочий поршень 11 силовой цилиндр 42 может иметь несколько отверстий для выпуска масла (не показано). В этом случае масло от насоса 85 через редукционный клапан 86 поступает в масляный бак 84. Совершив рабочий ход (конечное положение деталей на фигуре 20 показано пунктиром, а на фигуре 21 закрашено черным ) и достигнув нижней мертвой точки (НМТ), поршень 11 через неравноплечий рычаг 36 и кулачок 57 штока 54 силового гидроцилиндра 42 передвинет вверх рамку 67 с золотником 63 крана переключения 58 гидросистемы. Маховик 19, вращаясь по инерции, выведет рабочий поршень 11 из нижней мертвой точки. Масло снова станет поступать в полость силового гидроцилиндра, и все повторится сначала.

Незаштрихованные участки на диаграмме (фиг. 21) соответствуют повороту коленчатого вала за время переключения кранов гидросистемы. Остальные рабочие и силовые цилиндры работают также. Таким образом при работе гидросистемы периодически посредством силовых цилиндров происходит сжатие силовых пружин в соответствии с порядком работы двигателя и затем их распрямление и воздействие на коленчатый вал при отключении соответствующих силовых цилиндров. Маховик аккумулирует энергию вращения коленчатого вала и выводит поршни из мертвых точек. Вывод поршней из нижних мертвых точек происходит за счет того, что силовые пружины вставлены в цилиндры с некоторым зазором, а вывод поршней из верхних мертвых точек происходит за счет того, что рабочие поршни неполностью сжимают силовые пружины, оставляя небольшой запас, необходимый для прохода рабочих поршней через ВМТ.

Частота вращения коленчатого вала двигателя устанавливается ручкой 102 и поддерживается постоянной посредством центробежного регулятора путем изменения количества масла, подаваемого в силовые гидроцилиндры за единицу времени. Для увеличения частоты вращения коленчатого вала ручка 102 перемещается влево (фиг. 16). При этом тяга 101 перемещает влево второй горизонтальный вал 100, сжимает пружину 105 регулятора 24, увеличивая ее жесткость, перемещает влево первый горизонтальный вал 97, уменьшая сопротивление потенциометров 99 и 104. Ток в цепи электродвигателя 91 возрастает. Частота вращения вала электродвигателя 91 и соответственно производительность масляного насоса 85 увеличиваются. Вследствие этого уменьшается время, идущее на сжатие силовых пружин, что ведет к увеличению частоты вращения коленчатого вала. И наоборот. При перемещении ручки 102 регулятора 24 вправо сила жесткости пружины 105 уменьшается, и возрастает сопротивление в цепи электродвигателя 91. Скорость вращения вала электродвигателя уменьшается, что ведет к уменьшению производительности масляного насоса 85 и увеличению времени, идущего на сжатие силовых пружин и уменьшению частоты вращения коленчатого вала. Если при заданном положении ручки 102 частота вращения коленчатого вала двигателя самопроизвольно увеличится, то под действием увеличившейся центробежной силы шарики 96 передвинутся в направляющих 95 дальше от центра вращения и, нажимая на диск 98, переместят вправо первый горизонтальный вал 97, сжимая пружину 105, вместе с которым переместится в ту же сторону подвижная часть потенциометра 99.

Сопротивление в цепи электродвигателя 91 увеличится, и частота его вращения уменьшится, что приведет к уменьшению производительности масляного насоса 85. Время, затрачиваемое на сжатие рабочих пружин 47, 48, 49, 50, увеличится, а частота вращения коленчатого вала уменьшится. И наоборот. При самопроизвольном уменьшении заданной частоты вращения коленчатого вала уменьшается центробежная сила, действующая на шарики 96. Пружина 105 регулятора 24 распрямляется и передвигает влево передний горизонтальный вал 97. Шарики сдвигаются ближе к центру вращения. Подвижная часть потенциометра 99 сдвинется влево и уменьшит сопротивление в цепи электродвигателя 91. Частота вращения вала последнего увеличится, и возрастет производительность масляного насоса 85. Вследствие чего возрастет до нормы частота вращения коленчатого вала. Остановка двигателя производится отключением электродвигателя 91 посредством включателя 106. Подача масла в силовые гидроцилиндры прекращается, и коленчатый вал останавливается.

В таблице приведен порядок чередования рабочих и подготовительных ходов четырехцилиндрового двухтактного пружинного двигателя, кинематическая схема которого приведена на фигуре 8, при повороте коленчатого вала по часовой стрелке на 360^o. Из таблицы также видно, что при повороте коленчатого вала на 360^o совершаются четыре подготовительных и четыре рабочих хода. Если за первый цилиндр принять тот, что расположен рядом с маховиком, то порядок работы двигателя будет иметь вид 3-2-1-4/4-3-2-1, где в числителе номера цилиндров, начинающих рабочий ход (т.е. движение от 0^o до 90^o), а в знаменателе номера цилиндров, заканчивающих рабочих ход (т.е. двигающихся от 90^o до 180^o). Отсюда чередование подготовительных ходов будет 1-4-3-2/2-1-4-3, где в числителе номера цилиндров, начинающих подготовительный ход (т.е. движение от 180^o до 270^o), а в знаменателе номера цилиндров, совершающих конец подготовительного хода (т. е. движение от 270^o до 360^o). Пружинный двигатель может быть выполнен как одноцилиндровым, так и многоцилиндровым, например 6-8-12-цилиндровым и т.д. При работе двигателя часть мощности с ведущей шестерни 20 коленчатого вала 4 через шестерни 25, 27, 28 повышающего редуктора 21 поступает на генератор постоянного тока 29. Выработанная генератором электроэнергия через реле-регулятор и реле обратного тока (не показаны) идет на подзарядку аккумуляторных батарей 92. Тем самым генератор возвращает аккумуляторным батареям ту энергию, которую они затратили на работу электродвигателя 91 и приборов электрооборудования.

Расчет пружинного двигателя.

Дано:

Количество рабочих цилиндров 4.

Количество силовых гидроцилиндров 4.

Сила сжатия одной пружины F 2000 кг 20000 Н.

Радиус кривошипа коленчатого вала r 0,15 м.

Диаметр поршня силового цилиндра 0,2 м.

Ход поршня силового цилиндра l 0,1 м 10 см.

Ход поршня рабочего цилиндра l₁ 0,3 м 30 см.

Время одного хода рабочего поршня t 0,1 сек.

Частота вращения коленчатого вала n 300 об/мин 5 об/сек.

Отношение длины малого плеча к большому плечу неравноплечного рычага

Количество рабочих ходов за 1 оборот коленчатого вала 4.

Количество подготовительных ходов за 1 оборот коленчатого вала 4.

Давление масла, подаваемого в силовой цилиндр, p 24 кг/см².

1. Площадь поршня силового гидроцилиндра

S = r²; S 3,14 (10 см)² 3,14 100 см² 314 см², где r радиус поршня силового гидроцилиндра в сантиметрах (М.Я. Выгодский. Справочник по элементарной математике. М. Наука, 1965, с. 303).

2. Сила давления масла на поршень силового гидроцилиндра.

Fп Sр; Fп 314 см² 24 кг/см² 7536 кг 75360 Н.

3. Сила, с которой неравноплечий рычаг сжимает силовую пружину,

;



4. Объем масла, подаваемого в полость силового гидроцилиндра за один ход (180^o поворота коленчатого вала).

V Sl; V 314 см² 10 см 3140 см³ 3,14 л, где S площадь поршня силового гидроцилиндра; l ход поршня в сантиметрах (там же, с. 335).

5. Объем масла, подаваемый в полости четырех силовых гидроцилиндров за один оборот коленчатого вала,

V₁ 4V; V₁ 4 3,14 л 12,56 л.

6. Объем масла, подаваемый в полости четырех силовых гидроцилиндров за 1 секунду,

V₂ 5V₁; V₂ 5 12,56 л 62,8 л/сек.

7. Производительность масляного насоса в 1 минуту

Q 60V₂; Q 60 62,8 л 3768 л/минуту.

8. Мощность, необходимая для работы масляного насоса,

N C₂pQ;



где C₂ переводной коэффициент размерностей. Для выражения N в кВт при O в л/мин и p в кгс/см² ; для выражения N в л с (П.С. Гринкевич. Строительные машины. М. Машиностроение, 1975, с. 30).

9. Угловая скорость вращения коленчатого вала

= 2n; = 6,23 5 об/сек 31,4 1/сек,

где n частота вращения коленчатого вала в 1 секунду. (Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. Справочник по элементарной физике. М. Наука, 1965, с. 18).

10. Сила четырех пружин, действующая на кривошипы коленчатого вала,

Fпр4 4F; Fпр4 4 20000 Н 80000 Н.

11. Крутящийся момент на коленчатом валу

М Fпр4r; M 80000 Н 0,15 м 12000 Нм, где Fпр4 сила действия четырех пружин; r радиус кривошипа (плечо приложения силы).

12. Мощность на коленчатом валу

Nдв М; Nдв 12000 Нм 31,4 1/сек 376800 Нм/сек 37680 кгм/сек 502,4 л с 369,4 кBт, где М крутящийся момент на валу двигателя; w угловая скорость вращения коленчатого вала (там же, с. 28).

13. Полезная мощность на валу двигателя.

Nпол. Nдв N; Nпол 502,4 л с 180,8 л с 321,6 л с 236,4 кВт.

Положительный эффект пружинного двухтактного двигателя: не требует органического топлива, не загрязняет окружающую среду, не имеет больших тепловых потерь, создает меньше шума при работе.