ГРАВИТАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В.С.ГРИГОРЧУКА Российский патент 1997 года по МПК F03G3/00 

Изобретение относится к машиностроению и может найти применение в качестве силовой установки на локомотивах, судах, передвижных и стационарных электростанциях.

Известен карбюраторный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания автомобиля ВАЗ-2121 "Нива", содержащий блок цилиндров с поршнями и картером, внутри которого размещен кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, механизм запуска, системы: смазки, охлаждения, зажигания и питания (Вершигора В. А. и др. Автомобиль ВАЗ-2121 "Нива", М. Транспорт, 1980, с. 5-66).

Недостатками известного карбюраторного двигателя являются большие тепловые потери, загрязнение окружающей среды выхлопными газами, большой расход топлива.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя.

Известен также гравитационный двигатель, содержащий преобразователь энергии, пусковое устройство, систему электрооборудования и узел отбора мощности (Патент США N 4030300, кл. F 03 C 3 /04, 1977).

Недостатками этого гравитационного двигателя являются: низкий КПД, недостаточная мощность. Указанные недостатки обусловлены конструкцией гравитационного двигателя.

Целью изобретения является повышение эксплуатационных качеств гравитационного двигателя.

Цель достигается тем, что преобразователь энергии и узел отбора мощности заменены преобразователем энергии, выполненным в форме двух массивных грузиков, установленных на шарикоподшипниках в вертикальных направляющих, в середине каждого из них выполнен вертикальный паз, внутри которого закреплена зубчатая рейка, входящая в зацепление с соответствующей зубчатой шестерней, причем шестерни установлены на муфтах свободного хода, размещенных на цилиндрическом валу двигателя, установленного на шарикоподшипниках и имеющего маховик, инерционным возбудителем, содержащим раму с направляющими, на которой на подшипниках установлены две одинаковые по числу зубьев шестерни, входящие друг с другом в зацепление и имеющие грузики, причем вал одной из шестерен соединен с электродвигателем, расположенным на вышеупомянутой раме, которая посредством двух объемных гидропередач соединена с грузиками преобразователя энергии, а электродвигатель подключен к системе электрооборудования и имеет регулятор частоты вращения, узлом отбора мощности, выполненным в форме генератора постоянного тока, электрически соединенного с аккумуляторными батареями, а механически через повышающий редуктор с валом преобразователя энергии.

На фиг.1 изображен двигатель; на фиг.2 то же, вид спереди; на фиг.3 - то же, вид сбоку, разрез; на фиг.4 то же, вид сверху, разрез; на фиг.5 то же, поперечный разрез; на фиг.6 возбудитель, вид сверху; на фиг.7 - кинематическая схема гравитационного двигателя; на фиг.8 вал гравитационного двигателя; на фиг.9 разрез А-А на фиг.8; на фиг.10 разрез Б-Б на фиг.8; на фиг.11 грузик преобразователя энергии; на фиг.12 то же, вид слева; на фиг.13 то же, вид сверху; на фиг.14 силовой цилиндр объемной гидропередачи, частичный разрез; на фиг.15 силовой цилиндр объемной гидропередачи, вид сверху; на фиг.16 нагнетательный цилиндр объемной гидропередачи, частичный разрез; на фиг.17 то же, вид справа; на фиг.18 - инерционный возбудитель, частичный разрез; на фиг. 19 то же, вид справа; на фиг.20 то же, вид сверху; на фиг.21 и 22 схемы принципа действия гравитационного двигателя.

Предлагаемый гравитационный двигатель состоит из четырех основных частей: преобразователя энергии 1, блока отбора мощности 2, инерционного возбудителя 3, двух объемных гидропередач 4 и 5 и двух систем: электрооборудования и смазки двигателя. На П-образной раме 6 закреплен картер 7 двигателя, к которому болтами привернута крышка 8 с пробкой 9, имеющей отверстие для сообщения внутренней полости двигателя с атмосферой. Внутри рамы размещены аккумуляторные батареи 10 системы электрооборудования, масляный бак 11 и пульт управления двигателем 12. Внутри картера двигателя размещены преобразователь энергии и инерционный возбудитель. Преобразователь энергии содержит вал 13, установленный на подшипниках 14, 15, на переднем конце которого закреплен маховик 16, а в средней части имеются две муфты свободного хода, содержащие две крестовины 17, 18, выполненные как одно целое с валом двигателя, шарики 19 с пружинами 20. На крестовины надеты обоймы 21, 22, к которым болтами привернуты крышки 23, 24, 25, 26, через отверстия которых пропущен вал двигателя. Заодно с обоймами отлиты шестерни 27, 28, входящие в зацепление с зубчатыми рейками 29, 30 грузиков 31, 32 преобразователя энергии, которые установлены в направляющих 33-36 на шариках 37, выполненных заодно с картером двигателя и имеющих съемные крышки 38-41. Оба грузика имеют одинаковое устройство, и каждый из них состоит из левого 42 и правого 43 блоков, соединенных между собой шпильками 44 с гайками 45. В средней части грузики имеют вырез 46, в котором размещены шестерни вала двигателя. В нижней части грузики имеют кольцевые углубления 47. Вертикальное перемещение грузиков вниз ограничено резинометаллическими амортизаторами 48, 49, привернутыми болтами к картеру двигателя. На заднем конце вала двигателя установлена полумуфта 50 для соединения с полумуфтой повышающего редуктора. Инерционный возбудитель содержит раму 51, имеющую направляющие 52, 53, которые входят в пазы картера двигателя. К одному из направляющих привернута зубчатая рейка 54, входящая в зацепление с шестерней 55, а последняя входит в зацепление с зубчатой рейкой 56 уравновешивающего механизма 57, установленного с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной продольной оси двигателя. В подшипниках 58, 59 рамы на вертикальных валах установлены шестерни 60, 61, входящие в зацепление друг с другом и имеющие инерционные грузики 62, 63. Вал одной из шестерен соединен с валом электродвигателя 64, электрически подключенного через регулятор оборотов 65 и электронное устройство стабилизации частоты вращения 66 к аккумуляторным батареям. С двух боков к раме приварены стержни 67, 68, оканчивающиеся шарами 69, 70. Каждый из грузиков преобразователя энергии связан с инерционным возбудителем посредством отдельного объемного гидропривода. Оба гидропривода одинаковы по конструкции и содержат силовые цилиндры 71, 72, каждый из которых представляет собой неподвижный корпус 73 в форме стакана, имеющего внизу штуцер 74, а в верхней части, на наружной поверхности уплотнительное кольцо 75, закреплен в углублении картера двигателя. Подвижный корпус цилиндра 76, надетый на неподвижный корпус, выполнен в форме перевернутого стакана, имеющего на нижней внутренней части уплотнительное кольцо 77, а в верхней части круглый выступ 78, входящий в углубление грузика преобразователя энергии. Нагнетательные цилиндры 79, 80, каждый из которых содержит цилиндрический корпус 81, закрытый с двух сторон задней крышкой 82, имеющей штуцер 83, и передней крышкой 84, имеющей отверстие, через которое пропущен шток 85, соединенный с поршнем 86 и имеющим шаровой разъем 87, в который входит шар рамы инерционного возбудителя. Гидроприводы включают в себя впускные 88, 89, выпускные 90, 91 и всасывающие 92, 93, объединенные в блоки, клапаны. Все узлы и приборы гидроприводов соединены между собой трубопроводами. Впускные и выпускные клапаны объединены друг с другом и содержат корпуса 94, 95, выполненные в форме цилиндров, закрытых с обеих сторон. В нижней части они имеют входные отверстия, соединенные трубопроводами с штуцерами нагнетательных цилиндров и всасывающими клапанами. Корпуса также имеют по два боковых отверстия, которые соединены с масляным баком и силовыми цилиндрами. Внутрь корпусов вставлены с возможностью перемещения в вертикальной плоскости золотники 96, 97, выполненные в форме перевернутых стаканов, имеющих по одному боковому отверстию и нагруженных пружинами 98, 99. Блок отбора мощности включает в себя повышающий редуктор 100, прикрепленный болтами к картеру и крышке двигателя, а также генератор постоянного тока 101, прикрепленный болтами к корпусу повышающего редуктора и к раме двигателя. Повышающий редуктор содержит корпус 102, в котором на подшипниках установлены промежуточный вал 103 с малой и большой шестернями. Малая шестерня входит в зацепление с большой шестерней ведущего вала 104, который спереди установлен на подшипнике и имеет полумуфту 105 для соединения с валом преобразователя энергии, а своим задним концом входит в торец ведомого вала 106. Большая шестерня промежуточного вала входит в зацепление с малой шестерней ведомого вала, установленного в задней части на подшипнике и имеющего на конце ведущую полумуфту 107, которая механически связана с ведомой полумуфтой 108 генератора постоянного тока, который электрически соединен через реле-регулятор 109 с аккумуляторными батареями. Система смазки двигателя смешанная (не показана на чертежах) имеет стандартные узлы и агрегаты. Масляный насос 110 системы смазки двигателя приводится в движение электродвигателем 111, подключенным к системе электрооборудования, и имеет блокировочное устройство 112.

Гравитационный двигатель работает следующим образом.

Перед включением гравитационного двигателя необходимо включателем на пульте управления 12 включить электродвигатель 111, который приведет в движение масляный насос 110 системы смазки, и масло станет подаваться ко всем трущимся частям двигателя. Количество подаваемого масла и его давление контролируется по приборам, установленным на пульте управления 12. Блокировочное устройство 112 исключает возможность включения гравитационного двигателя при неработающей системе смазки. После того, как смазка поступит ко всем трущимся частям, поворотом тумблера на пульте управления включается электродвигатель 64 инерционного возбудителя 3. Вращаясь, вал электродвигателя 64 приводит во вращение шестерни 60 и 61, а вместе с ними и грузики 62 и 63, которые, двигаясь навстречу друг другу, создают инерционную силу, периодически действующую то в одну, то в другую сторону. Под действием инерционной силы рама 51 передвигается вправо, как показано на фиг.21, и через стержень 67, шаровой разъем 87, шток 85 передвигает в ту же сторону поршень 86 в нагнетательном цилиндре 80, вытесняя масло из его внутренней полости. Масло, двигаясь по трубопроводу, закрывает всасывающий клапан 93 и поступает в корпус 95 клапанного блока, передвигая вверх золотник 97 и сжимая пружину 99. Далее через боковые отверстия корпуса 95 и золотника 97 по трубопроводу поступает внутрь силового цилиндра 72, подвижный корпус 76 которого перемещается вверх и поднимает грузик 32 преобразователя энергии вверх на некоторую высоту (в исходном положении он находится внизу). Зубчатая рейка 30, перемещаясь вверх, поворачивает шестерню 28 вместе с обоймой 22 против часовой стрелки, никак не воздействуя на вал 13 (подготовительный ход; на фиг.21 показано сплошными стрелками). Одновременно с перемещением рамы 51 вправо в ту же сторону перемещается и поршень 86 цилиндра 79, который через всасывающий клапан 92 засасывает масло внутрь полости цилиндра 79 из масляного бака 11. При этом вследствие разрежения внутри корпуса 94 клапанного блока золотник 96 под действием пружины 98 опустится, открывая оба боковых отверстия в корпусе 94 и тем самым соединяя внутреннюю полость силового цилиндра 71 с масляным баком. Вследствие этого грузик 31 преобразователя энергии, который в исходном положении находился вверху, на некоторой высоте, ничем более не удерживаемый, под действием силы тяжести начинает двигаться вниз (свободное падение) и с силой своей зубчатой рейкой 29 поворачивает шестерню 27 с обоймой 21, а вместе с ними через шарики 19 крестовину 17 и вал 13 по часовой стрелке (рабочий ход; на фиг.21 показано пунктирными стрелками). Как только грузики 31 и 32 преобразователя энергии достигнут крайних положений, грузики (дисбалансы) 62 и 63 инерционного возбудителя повернутся в другую сторону и рама 51 под действием инерционных сил станет перемещаться в противоположную сторону. Поршень 86 цилиндра 79 станет перемещаться в ту же сторону, вытесняя масло из полости цилиндра в полость корпуса 94 блока клапанов, закрывая всасывающий клапан 92. При этом золотник 96 поднимается, сжимая пружину 98, перекрывая доступ масла в масляный бак 11 и открывая проход масла в силовой цилиндр 71. Под давлением масла подвижная часть 76 перемещается вверх и поднимает грузик 31, совершая подготовительный ход, при этом зубчатая рейка 29, вращая шестерню 27, заставляет муфту свободного хода отключать вал 13 двигателя (на фиг.22 показано сплошными стрелками). В то же время поршень 86 цилиндра 80, перемещаясь вправо через открытый всасывающий клапан 93, засасывает масло внутрь полости цилиндра. Грузик 32 преобразователя энергии под действием силы тяжести опускается и зубчатая рейка 30 через шестерню 28 приводит во вращение вал 13 гравитационного двигателя. При этом масло из силового цилиндра 72 по трубопроводу поступает через боковые отверстия внутрь корпуса 95 блока клапанов. Пружина 99 перемещает золотник 97 в нижнее положение, и масло из корпуса 95 поступает в масляный бак 11 (рабочий ход; на фиг. 22 показано пунктирными стрелками). Как только грузики 31 и 32 займут крайние положения, все повторится снова. Так как рама 51 инерционного возбудителя с деталями, установленными на ней, обладает достаточной массой и, перемещаясь в поперечном направлении с ускорением, создает значительные инерционные силы, действующие на картер двигателя, то уравновешивание этих сил происходит за счет движения в противоположную сторону уравновешивающего механизма 57, приводимого в движение через шестерню 55. При этом масса уравновешивающего механизма должна быть равна массе рамы инерционного возбудителя.

Таким образом периодическое движение в ту или иную сторону рамы инерционного возбудителя вызывает подъем на некоторую высоту того или иного грузика преобразователя энергии и затем его перемещение (свободное падение) вниз с проворачиванием вала 13 двигателя. Частота вращения вала двигателя зависит от частоты колебаний рамы инерционного возбудителя, а последняя в прямой зависимости от частоты вращения электродвигателя 64 инерционного возбудителя, которая может изменяться регулятором 65. Передвигая в ту или иную сторону движок регулятора 65, можно изменять частоту вращения вала 13 двигателя. Постоянство частоты вращения электродвигателя 64 инерционного возбудителя и следовательно частоты вращения вала 13 двигателя обеспечивается электронным устройством стабилизации частоты вращения 66. Маховик 16 аккумулирует энергию вращения вала 13, обеспечивая его плавное вращение, причем направление вращения вала 13 не зависит от направления вращения вала электродвигателя 64 инерционного возбудителя.

Часть мощности, возникающей на валу 13 преобразователя энергии 1, снимается блоком отбора мощности 2. При этом вращающийся момент от вала 13 двигателя передается через полумуфты 50 и 105 на ведущий вал 104 повышающего редуктора 100, затем через большую шестерню на малую шестерню промежуточного вала 103 и с большой шестерни последнего на малую шестерню ведомого вала 106. Ведомый вал редуктора через полумуфты 107 и 108 приводит во вращение генератор постоянного тока 101. Полученный от генератора постоянный ток передается на реле-регулятор 109, которое поддерживает необходимую величину тока и напряжения, а также подключает генератор 101 к аккумуляторным батареям 10, когда напряжение последних меньше напряжения генератора, и отключает их от генератора, когда напряжение аккумуляторных батарей больше напряжения генератора. Остановка гравитационного двигателя происходит выключением электродвигателя 64 инерционного возбудителя соответствующим тумблером на пульте управления 12. После остановки вала 13 двигателя тумблером на пульте управления выключается электродвигатель 111 системы смазки.

Расчет гравитационного двигателя.

Дано: Количество грузиков преобразователя энергии 2
Масса грузика преобразователя энергии m 7000 кг
Угол поворота вала двигателя за один рабочий ход
Диаметр шестерни вала двигателя Д 19,15 см
Ход поршня цилиндрического нагнетателя l 24 см
Диаметр поршня цилиндрического нагнетателя Д₁ 32 см
Ход поршня силового цилиндра l₁ 15,35 см
Диаметр поршня силового цилиндра Д₂ 40 см
Частота колебаний рамы инерционного возбудителя в минуту f 480 8 кол/с (240 колебаний в одну и 240 колебаний в другую сторону)
Принятая мощность электродвигателя инерционного возбудителя N 11 кВт
Соответствующая данной мощности вынужденная сила F 5 т
Мощность электродвигателя привода масляного насоса системы смазки N₁ 3 кВт (Гринкевич П.С. Строительные машины М. Машиностроение, 1975, таблица на с. 351).

1. Площадь поршня цилиндрического нагнетателя.

S 3,14•(16)² 3,14•256 803,8 см², где r₁ радиус поршня цилиндрического нагнетателя (Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике, М. Наука, 1965, с. 291).

2. Площадь поршня силового цилиндра.

S₁ 3,14•(20)² 3,14•400 1256 см², где r₂ радиус поршня силового цилиндра.

3. Давление масла в полости цилиндрического нагнетателя.

где F вынуждающая сила от вращения дебалансов инерционного возбудителя, приложенная к поршню цилиндрического нагнетателя; S площадь поршня цилиндрического нагнетателя.

4. Объем масла, подаваемый цилиндрическим нагнетателем в силовой цилиндр за один ход.

V Sl; V 803,8 см²•24 см 19291,2 см³ 19,291 л.

5. Давление масла на поршень силового цилиндра.

P₁ S₁P; P₁ 1256 см²•6,2 кг/см² 7787,2 кг 7,787 т.

6. Длина окружности шестерни вала двигателя.

P_дв= πD; P_дв 3,14•19,15 см 60,1 см, где D диаметр шестерни вала двигателя; там же с. 290.

7. Частота вращения вала двигателя.

где f частота колебаний рамы инерционного возбудителя, α угол поворота вала двигателя за один рабочий ход одного грузика.

8. Сила, с которой один грузик действует на вал двигателя при рабочем ходе.

F mg; F 7000 кг•9,8 м/с² 68600 кгм/с² 686000 н, где m масса одного грузика, g ускорение силы тяжести.

9. Сила, с которой один грузик преобразователя энергии действует на вал двигателя за 1 с (при 8 оборотах вала электродвигателя инерционного возбудителя в секунду каждый грузик преобразователя энергии совершает 8 рабочих и 8 подготовительных ходов в секунду).

F₁ fF; F₁ 8•686000 н 5488000 н, где частота колебаний рамы инерционного возбудителя в секунду, F сила, с которой один грузик действует на вал двигателя за один рабочий ход.

10. Сила, с которой два грузика действуют на вал двигателя за секунду.

F₂ 2F₁; F₂ 2•5488000 н 10976000 н.

11. Угловая скорость вращения вала двигателя.

w = 2πn; ω = 6,28•2об/сек = 12,56 1/сек, где n частота вращения вала двигателя в секунду (Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. Справочник по элементарной физике, М. Наука, 1965, с. 18).

12. Линейная скорость вращения вала двигателя.

v = ωR; V 12,56 1/c•0,095 м 1,19 м/с, где R радиус шестерни вала двигателя (там же, с. 18).

13. Мощность на валу двигателя.

Преобразователь энергии выполнен в форме грузиков, установленных в вертикальных направляющих с возможностью перемещения в вертикальной плоскости и кинематически связанных с силовыми гидроцилиндрами и валом двигателя. Рама инерционного возбудителя установлена на направляющих с возможностью перемещения в поперечной плоскости и имеет две шестерни с дисбалансами, входящими в зацепление друг с другом, одна из которых соединена с валом электродвигателя, установленного на раме, которая механически соединена с нагнетательными гидроцилиндрами преобразователя энергии, кроме того, вал двигателя соединен через повышающий редуктор с генератором постоянного тока, электрически подключенного к системе электрооборудования. 3 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Гравитационный двигатель, содержащий преобразователь энергии, блок отбора мощности, механически связанные между собой, блок инерционного возбудителя, связанный кинематически с преобразователем энергии, системы смазки, запуска и электрооборудования, отличающийся тем, что преобразователь энергии выполнен в форме нескольких грузиков, установленных с возможностью перемещения в вертикальной плоскости по направляющим на шарикоподшипниках и имеющих в средней части вырез, внутри которого к каждому грузику прикреплены зубчатые рейки, входящие в зацепление с шестернями, установленными на муфтах свободного хода вала двигателя, закрепленного в подшипниках картера и имеющего в передней части маховик, кроме того, каждый грузик механически соединен с силовым гидроцилиндром, закрепленным вертикально внутри картера. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что блок отбора мощности выполнен в форме генератора постоянного тока, соединенного механически через повышающий редуктор с валом двигателя, а электрически подключенного к системе электрооборудования. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что инерционный возбудитель выполнен в форме рамы, имеющей направляющие, входящие в соответствующие пазы картера, и установленной с возможностью перемещения перпендикулярно продольной оси двигателя, на которой закреплены в подшипниках две шестерни, входящие в зацепление одна с другой и имеющие дебалансы, вал одной из которых механически соединен с валом электродвигателя, закрепленного на раме и электрически подключенного к системе электрооборудования, кроме того, рама механически соединена с двух сторон с двумя нагнетательными гидроцилиндрами, закрепленными на картере двигателя и размещенными на одной оси соосно друг другу, причем рама инерционного возбудителя посредством зубчатой передачи соединена с уравновешивающим механизмом, размещенным в нижней части картера двигателя. 4. Двигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что каждый силовой гидроцилиндр преобразователя энергии посредством отдельной гидросистемы соединен с соответствующим нагнетательным гидроцилиндром инерционного возбудителя, причем гидросистемы имеют одинаковое устройство и каждый из них содержит клапанные блоки, соединенные с масляным баком, силовым и нагнетательным гидроцилиндрами трубопроводами.