Двигатель-маховик

 

Двигатель-маховик предназначен в основном для установки на транспортные средства. Он обладает возможностями как двигателя, передающего энергию на выходной вал, так и маховика, аккумулирующего энергию при торможении и отдающего ее при ускорении. Двигатель состоит из корпуса, поршневой системы устройства преобразования движения. Корпус имеет форму фигуры вращения, содержит две тороидальные полости, внутри которых двигаются поршни, выполненные как тороидальные сегменты. Такая конструкция применима и для вспомогательных устройств, например насосов. Устройство преобразования движения преобразует колебательное движение поршней во вращательное, закреплено на корпусе, состоит из втулки и промежуточного вала, с которого вращение передается на ось корпуса и выходной вал. 5 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения, и может быть использовано на транспорте.

Известны двигатели внутреннего сгорания с вращающимися корпусами, которые в силу присущих им больших вращающихся масс одновременно выполняют функции маховиков. К числу их относится, в частности, двигатель по патенту США 33516392 кл. F 02 B 57/00, публикация 1970 г. Указанный двигатель принят здесь за прототип. Недостатком его является малая эффективность как маховика - накопителя энергии при торможении и в других режимах работы.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является использование двигателя как эффективного маховика, аккумулирующего энергию при торможении и отдающего ее при ускорении.

Для решения указанной задачи в известном двигателе-маховике, содержащем корпус, выполненный в виде фигуры вращения, который образует две тороидальные полости, разделенные симметрично расположенными перегородками, образующими секции, внутри которых движутся поршни, выполненные как тороидальные элементы, устройство преобразования колебательного движения поршней, которое преобразует их движение во вращательное, причем корпус двигателя и все его составляющие служат массой, запасающей энергию вращения, а подвод и отвод рабочего тела осуществляется по проходящим в корпусе каналам, связанными с каналами основания через отверстия в полой оси, дополнительно к перечисленным признакам за счет отталкивания от шестеренок основания вращательное движение передается двигателю или выходному валу, скорость вращения двигателя относительно основания определяется передаточным числом и может быть во много раз больше скорости, зависящей от физических характеристик движения поршней, при этом работа устройства как маховика возможна в следующих режимах: режим разгона, режим разгрузки, режим работы двигателя на выходной вал, холостой ход, а разгон маховика возможен как от работающего двигателя, если диапазон изменения частоты не ограничен снизу при постоянном передаточном отношении, так и при торможении, тем самым устройство аккумулирует энергию, возникающую при торможении, а при ускорении выделяет энергии больше, чем мощность двигателя.

На фиг. 1 представлена общая схема двигателя, на фиг. 2 отдельно показана его поршневая система, на фиг. 3 и фиг. 4 - устройство преобразования движения, на фиг. 5 - золотник.

Корпус двигателя состоит из двух торцевых 1 и двух внутренних крышек 2, которые образуют две тороидальные полости. Симметрично расположенные радиальные перегородки 19 образуют как технологические области 20, внутри которых проходят каналы ввода 21, вывода 18, так и рабочие секции 22, в нижней части которых имеется разрез 6. Внутренние крышки 2 крепятся к центральной пластине 4, соединяющей крышки с полой осью 10, на которую надеты подшипники 9. С их помощью двигатель крепится к кронштейнам основания 8. На оси расположен храповик 43, обеспечивающий вращение корпуса в одном направлении, а также закреплена шестеренка 37, которая связывает ось корпуса с шестеренкой 17 основания и промежуточным валом 7. Внутри центральной пластины проходят каналы 18, 21, расположен золотник 23. Каналы через сверления в оси связаны с каналами основания с помощью уплотнителей 24, которые расположены по оси вращения корпуса.

Внутри рабочих секций двигаются поршни 3 с уплотнителями 46, создавая рабочие камеры между торцами поршней и перегородками тороидальных полостей внутри которых, примыкая к перегородкам, находятся отверстия 39, через которые рабочие камеры связаны с каналами 18, 21. Поршни жестко связаны со стержнями 5 и через разрез 6 насажены на ось. Все поршни одной тороидальной полости неподвижно связаны между собой кольцом 25 и шестеренкой 12, которая через шестеренки 13, закрепленные на центральной пластине, связана с такой шестеренкой другой тороидальной полости. Такое сцепление обеспечивает движение поршней в разных тороидальных полостях в противоположных направлениях. Внутри поршней и стержней проходят каналы 49 для подвода смазки, связанные с каналами основания через сверления в оси. Уплотнители 26 обеспечивают герметичность скольжения кольца 25 по оси.

Золотник 23 расположен внутри центральной пластины и через шестеренку 45 сцеплен с шестеренкой 44, при этом передаточное число подобрано таким образом, что за один цикл работы двигателя золотник поворачивается на 180 градусов. Золотник состоит из двух дисков 40, каждый из которых обеспечивает смену фаз в одной тороидальной полости, которые одной стороной примыкают к тороидальной полости, а другой стороной - к каналам ввода вывода рабочего тела. На дисках в поперечном разрезе отверстия для вывода скошены вверх, а для ввода - вниз, что позволяет использовать одно отверстие в каждой рабочей камере. При вращении золотник открывает отверстие 39 в фазах всасывания и вывода рабочего тела при совпадении отверстия 39 с отверстиями на дисках и закрывает его в фазах сжатия и расширения. Протяженность отверстий на дисках и форма отверстия 39 определяет длительность открытия.

Блок преобразования колебательного движения поршней установлен на центральной пластине и состоит из двух шестеренок 14, свободно насаженных на вал 27, которые сцеплены с шестеренками 13 и, поэтому, всегда вращаются в противоположные стороны. На этот вал насажена втулка 15 таким образом, что выступы вала 28, расположенные внутри втулки, обеспечивают их взаимное сцепление при вращении, но в тоже время обеспечивают перемещение вдоль вала. По центру центральной пластины на вал 27 с помощью выступов 47 надета шестеренка 44, через которую передается вращение золотнику. На втулке для выступов имеются прорези 48, которые позволяют ей свободно перемещаться вдоль вала 27. По краям втулки расположены шестеренки 29, сцепленные с шестеренкой 14. Сцепление выполнено таким образом, что при смене вращения шестеренки 14, а это значит при смене направления движения поршней в тороидальной полости, втулка выталкивается из соединения, перемещается вдоль вала и сцепляется с другой шестеренкой. Вдоль втулки проходит пружина 31, ограниченная с обеих сторон шайбами 30. Внутренние выступы шайбы 42 размещаются в углублении втулки 34, что препятствует ее прокручиванию, а внешние выступы 41 взаимодействуют с прижимом 33 на центральной пластине. Развертка левого прижима 33 вдоль образующей втулки представлена на фиг. 3, при условии, что за один такт втулка поворачивается на 90 градусов, а за начало отсчета взят такт, при котором втулка сцеплена с левой шестеренкой, а развертка правого прижима 33 вдоль образующей втулки представлена на фиг. 4. При вращении втулки прижим 33 сжимает пружину, а прижим 32, взаимодействуя с выступом втулки 35, удерживает ее в сцеплении. При вращении втулки, как только выступ 35 заканчивается, под действием сжатой пружины втулка перемещается к другому сцеплению и так далее. Таким образом вал 27 всегда вращается в одну сторону. Колебательное движение шестеренкой 14 передается на полый вал 36 для передачи движения на вспомогательные устройства, например, насосы.

На фиг. 1 для наглядности вал 27 и вал 36 выведены в разные стороны. Через шестеренку 16 вращение вала 27 передается на промежуточный вал 7. Так как вал 27 закреплен на корпусе, угловая скорость вращения вала 7 будет складываться из угловой скорости вращения корпуса по отношению к основанию и угловой скорости самого вала по отношению к оси корпуса, которая определяется скоростью движения поршня в рабочей камере. С вала 7 вращение передается на шестеренку 17 и через шестеренку 37 - на ось корпуса, а через шестеренку 38 - на выходной вал 11. Угловая скорость вращения моховика пропорциональна обобщенному передаточному числу, определяемому отношением радиусов каждой пары взаимодействующих шестеренок, участвующих в преобразовании вращения от вала 7 по всему пути сцепленных шестеренок вплоть до шестеренки 37. Угловая скорость вращения маховика равна угловой скорости вращения вала 7 по отношению к корпусу, умноженной на обобщенное передаточное число, деленному на выражение, равное единице минус обобщенное передаточное число. Из формулы видно, что при стремлении обобщенного передаточного числа, которое всегда меньше единицы, к единице скорость вращения двигателя стремится к бесконечности. Так при значении обобщенного передаточного числа, равного 0,5, угловая скорость двигателя равна угловой скорости вала 7, а при обобщенном передаточным числе, равном 0,8, равна 4 угловым скоростям вала 7. Для разгона двигателя необходимо постепенно увеличивать как угловую скорость, так и передаточное число.

Двигатель работает следующим образом. Пусть в камерах A первой тороидальной полости проходит фаза расширения, в камерах B - всасывания, в камерах A второй тороидальной полости - сжатие, в камерах B второй тороидальной полости - вывод рабочего тела. Для паровой машины фазе сжатия соответствует фаза вывода, а фазе расширения - фаза всасывания с одновременным расширением, на дисках золотника отверстия вывода распространяются на зону сжатия, а ввода - на фазу расширения. Золотник находится в положении, отмеченным на фиг. 5, как ноль градусов. Под действием сил расширения в камерах A первой тороидальной полости радиальная перегородка корпуса и поршни в первой тороидальной полости расходятся в разные стороны, что обеспечивает в камерах B фазу всасывания. Изменяется их взаимное положение, это приводит к тому, что поворачивается шестеренка 12 первой тороидальной полости, следовательно, поворачивается связанная с ней шестеренка 13, укрепленная на центральная пластина. В результате, шестеренка 12 второй тороидальной полости начинает вращаться в противоположную сторону по сравнению с шестеренкой 12 первой тороидальной полости. Это значит, что поршни второй тороидальной полости перемещаются на встречу радиальным перегородкам корпуса. Такое движение поршней в тороидальной полости обеспечивает течение перечисленных фаз. Вращение передается на шестеренки 14, а направление их вращения показано на фиг. 3. При таком положении втулка 15 сцеплена с левой шестеренкой. Вал 27 выступом 28 соединен с втулкой, поэтому он всегда вращается в ту же сторону, что и втулка. При вращении втулки взаимодействие выступа 41 шайбы, ограничивающий пружину, с прижимом 33, приводит к тому, что пружина сжимается, но втулка удерживается в сцеплении прижимом 32, который взаимодействует с выступом 35 левой части втулки. По завершении фазы золотник поворачивается на 45 градусов таким образом, что отверстия на золотнике и в камерах A первой полости совпадают, причем подсоединяются каналы вывода, а значит начинается фаза вывода. В камерах B второй тороидальной полости открывают входные каналы, что означает начало фазы всасывания. В камерах A второй полости начинается фаза расширения, в камерах B первой полости начинается фаза сжатия. Выступ втулки 35 выходит из сцепления с прижимом 32, а сжатая пружина перемещает втулку в положение, изображенное на фиг. 4. Шестеренки 12, 13, 14 меняют вращение на противоположное. Вал 27 из-за перемещения втулки направление вращения не изменит. Далее циклический процесс смены фаз продолжается. Набрав нужную скорость вращения, двигатель отключается. Жестко связанная с валом 27 шестеренка 16 передает вращение промежуточному валу 7, а с него - шестеренке 17, закрепленной на основании, и далее - на выходной вал 11. Шестеренка 17 может выходить из сцепления с шестеренкой 37 и используется как переключатель режимов.

Запуск двигателя осуществляется следующим образом: корпусу сообщается необходимая угловая скорость при выведенной из сцепления шестеренки 17. Затем включается сцепление шестеренки 17 с осью, что приводит к тому, что угловая скорость корпуса и вала 7 будут разные, а это приведет к вращению втулки и связанных с ней шестеренок, которые в свою очередь приводят в движение золотник и поршни по отношению к корпусу.

Работа устройства как маховика, определяемая положением переключателей, возможна в следующих режимах: режим разгона, режим разгрузки, режим работы двигателя на выходной вал, холостой ход.

Режим разгона маховика предусматривает постепенное увеличение угловой скорости маховика. Энергия, запасаемая маховиком, пропорциональна квадрату угловой скорости, тогда как ее приращение прямо пропорционально угловой скорости. В режиме разгона вращение вала 7 передается на ось маховика через сцепленные шестеренки 17 и 37, но отсутствует нагрузка на выходной вал 11. Шестеренка 37, отталкиваясь от шестеренок основания, передает вращение маховику. Такое вращение не приводит к дополнительному изменению относительного положения корпуса и поршня, а это значит, что поворачивается двигатель относительно основания. Сила, вызванная давлением в рабочих камерах, приводит к возникновению ускорения вращения вала 7 относительно оси двигателя, а следовательно, вызовает ускорение корпуса относительно основания, так как из формулы расчета угловой скорости маховика видно, что увеличение угловой скорости вала 7 приводит к увеличению скорости вращения корпуса. Это ускорение определяет время, необходимое для достижения максимальной угловой скорости маховика, а работа двигателя за этот период времени преобразуется в кинетическую энергию маховика. Ускорение будет действовать до тех пор, пока скорость движения поршней не достигнет своего предельного значения. Диапазон изменения частоты колебаний поршня неограничен снизу, если используется паровая машина. В этом случае скорость движения поршней может меняться от нуля до максимального значения, а ее приращение определяется внешней постоянной нагрузкой, зависящий от момента инерции устройства. Для ДВС возможен разгон маховика в диапазоне, который определяется устойчивой работой двигателя и, хотя на низких оборотах мощность меньше, это отразится только на времени разгона, но полностью возможности ДВС реализуются при использовании бесступенчатого преобразователя, который здесь не указан. Возможен разгон маховика при наличии избыточной энергии у выходного вала 11. Повышающая передача на вал 11 приводит к тому, что на ось двигателя будет подаваться более высокая скорость, создающая раскручивающую силу. Это оказывает тормозящее действие на вал 11. Такой режим экономит энергию при торможении, чтобы использовать ее при ускорении.

В режиме разгрузки шестеренки 17 и 37 выведены из сцепления. Разгрузка происходит через вал 7. Энергия вращения двигателя передается на выходной вал 11, что приводит к постепенному уменьшению угловой скорости двигателя вплоть до полной его остановки, двигатель может продолжать работать на выходной вал.

В режиме работы двигателя на выходной вал, когда не предусматривается разгона двигателя, шестеренки 17 и 37 выведены из сцепления. Вращение вала 7 передается на выходной вал 11. Храповик 43, связанный с кронштейном, препятствует вращению корпуса в противоположную сторону, гася силу отдачи вращения выходного вала.

В режиме холостого хода двигатель не работает, отсутствует нагрузка на вал 11 и шестеренки 17 и 37 выведены из сцепления, никаких перемещений внутри корпуса нет. Угловая скорость вала 7 равна угловой скорости корпуса, прекращается движение поршней, вращение вала 27 и всех связанных с ним элементов, но энергия вращения двигателя сохраняется.

Формула изобретения

Двигатель-маховик, содержащий корпус, выполненный в виде фигуры вращения, который образует две тороидальные полости, разделенные симметрично расположенными перегородками, образующими секции, внутри которых движутся поршни, выполненные как тороидальные элементы, устройство преобразования колебательного движения поршней, которое преобразует их движение во вращательное, причем корпус двигателя и все его составляющие служат массой, запасающей энергию вращения, а подвод и отвод рабочего тела осуществляется по проходящим в корпусе каналам, связанным с каналами основания через отверстия в полой оси, отличающийся тем, что за счет отталкивания от шестеренок основания вращательное движение передается двигателю или выходному валу, скорость вращения двигателя относительно основания определяется передаточным числом и может быть во много раз больше скорости, зависящей от физических характеристик движения поршней, при этом работа устройства как маховика возможна в следующих режимах: режим разгона, режим разгрузки, режим работы двигателя на выходной вал, холостой ход, а разгон маховика возможен как от работающего двигателя, если диапазон изменения частоты не ограничен снизу при постоянном передаточном отношении, так и при торможении, тем самым устройство аккумулирует энергию, возникающую при торможении, а при ускорении выделяет энергии больше, чем мощность двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5