БАРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ В.С.ГРИГОРЧУКА Российский патент 1998 года по МПК F03G7/00 F01B29/00 F03D9/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве двигателя в энергетике и морском судостроении.

Известен паровой двигатель паровоза серии Л, содержащий цилиндровый блок с поршнем, кинематически соединенным с дышловым механизмом, золотниковый механизм, кинематически соединенный с кулисным и переводным механизмами [1].

Недостатками известного парового двигателя являются низкий КПД, больше тепловые потери, большой расход топлива и воды. Указанные недостатки обусловлены конструкцией парового двигателя.

Известен также четырехтактный карбюраторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, системы питания, зажигания, охлаждения, смазки и запуска [2].

Известный четырехтактный карбюраторный двигатель как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату принят за прототип.

Недостатками известного четырехтактного карбюраторного двигателя, принятого за прототип, являются большие тепловые потери, значительный шум, сильное загрязнение окружающей среды выхлопными газами, большой расход органического топлива. Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя.

Целью изобретения является повышение эксплуатационных качеств двигателя.

Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что цилиндры, коленчатый вал, газораспределительный механизм, системы питания, зажигания, охлаждения и запуска замены цилиндрами двухстороннего действия, коленчатым валом, кривошипы каждой пары которого установлены под углом 180^o относительно друг друга, а каждая последующая пара смещена относительно предыдущей на 90^o, флюгерным механизмом, воздухораспределительным механизмом, усилителем мощности.

На фиг. 1 изображен общий вид барометирического двигателя; на фиг. 2 - вид сверху на барометрический двигатель; на фиг. 3 - кинематическая схема четырехцилиндрового барометрического двигателя; на фиг. 4 - общий вид усилителя мощности; на фиг. 5 - разрез по АА; на фиг. 6 - разрез по ББ; на фиг. 7 - вид на усилитель мощности со стороны коленчатого вала; на фиг. 8 - вид сверху на усилитель мощности; на фиг. 9 - механизм привода усилителя мощности; на фиг. 10 - общий вид воздухораспределительного механизма; на фиг. 11 - вид сверху на воздухораспределительный механизм; на фиг. 12 - разрез по АА; на фиг. 13 - общий вид воздухораспределительного крана; на фиг. 14 - разрез по АА; на фиг. 15 - диаграмма воздухораспределителя; на фиг. 16 - общий вид флюгера; на фиг. 17 - вид на флюгер сверху; на фиг. 18 и 19 - схема принципа действия барометрического двигателя; на фиг. 20 - схема подключения нескольких флюгеров к барометрическому двигателю; на фиг. 21 и 22 - схема работы усилителя мощности; на фиг. 23 - общий вид в разрезе блока управления барометрическим лвигателем; на фиг. 24 - схема центробежного регулятора частоты вращения коленчатого вала барометрического двигателя.

Барометрический двигатель состоит из пяти основных частей: кривошипно-шатунного механизма с поршневой группой, воздухораспределительного механизма, усилителя мощности, блока управления с регулятором частоты вращения коленчатого вала и флюгера.

Барометрический двигатель содержит корпус 1, закрытый снизу крышкой 2, имеющей поддон 3. К верхней части корпуса привернуты четыре цилиндра двухстороннего действия 4, 5, 6, 7. Внутрь каждого цилиндра вставлены поршни 8, 9, 10, 11 с элементами уплотнения (на чертежах не показаны), которые посредством штоков 12 и шатунов 13 соединены с кривошипами 14, 15, 16, 17 коленчатого вала 18, установленного в подшипниках корпуса. В передней части коленчатый вал имеет кулачок 19 воздухораспределительного механизма, соединительный фланец 20 и шестерню 21 привода регулятора частоты вращения коленчатого вала 22. На задней части коленчатого вала закреплены кулачок 23 воздухораспределительного механизма, шестерня 24 привода масляного насоса стандартной системы смазки двигателя, не показанной на чертежах, маховик 25, закрытый крышкой 26. По бокам корпуса установлены крышки смотровых люков 27 и 28. Каждая пара кривошипов коленчатого вала расположена под углом 180^o относительно друг друга, а каждая последующая пара смещена относительно предыдущей на 90^o.

Воздухораспределительный механизм размещен внутри коробки 29, привернутой к цилиндрам и закрытой крышкой 30. Внутри коробки размещен С-образный трубопровод пониженного давления 31, закрепленный посредством кронштейнов 32, С-образный трубопровод повышенного давления 33 также установлен внутри коробки на кронштейнах 34. В нижней части коробки, в средней ее части, установлен воздухораспределительный кран 35, который посредством трубопроводов 36 и 37 соединен с верхними и нижними полостями цилиндров, а посредством трубопроводов 38 и 39, 40 и 41 соединен соответственно с трубопроводами пониженного и повышенного давления. Воздухораспределительный кран содержит корпус 42, имеющий восемь отверстий 43 снизу и по восемь отверстий 44 и 45 с каждой боковой стороны. Внутрь корпуса вставлены два одинаковых по конструкции золотника 46 и 47, каждый из которых имеет по четыре L-образных отверстия 48 и с одной торцевой стороны по одному валу 49 и 50, закрепленных в подшипниках стоек 51 и 52. На концах валов закреплены шестерни 53 и 54, входящие в зацепление с шестернями 55 и 56, установленных в подшипниках упомянутых стоек и соединенных с рычагами 57 и 58, которые шарнирно соединены с вертикальными рычагами 59 и 60, взаимодействующими с передним и задним кулачками коленчатого вала, посредством вилок 61 и 62. Каждый золотник имеет сферические углубления, в которые входят шариковые стопоры 63, нагруженные пружинами 64, установленные в гнездах 65, закрытых крышками 66. Внутренний трубопровод повышенного давления соединен с наружным трубопроводом повышенного давления 67, имеющим соединительный фланец 68. Внутренний трубопровод пониженного давления соединен с выходным фланцем 69 блока управления двигателем 70, к входному фланцу 71 которого привернут наружный трубопровод пониженного давления 72, имеющий фланец 73.

Усилитель мощности 74, размещенный в передней части корпуса двигателя, содержит С-образную раму 75, имеющую направляющие 76, установленные в пазах корпуса двигателя с возможностью перемещения рамы в вертикальной плоскости. В подшипниках рамы установлены шестерни 77 и 78, входящие друг с другом в зацепление и имеющие дисбалансы 79 и 80, причем последняя соединена с ведомым валом 81, закрепленным в подшипнике крышки 82 и привернутой к корпусу 83 верхнего редуктора. На противоположном конце ведомого вала закреплена коническая шестерня 84, входящая в зацепление с конической шестерней 85, установленной на ведущем валу 86, закрепленным в подшипнике корпуса верхнего регулятора и имеющего шлицы. Корпус верхнего редуктора посредством кронштейнов 87 прикреплен к С-образной раме. Нижний редуктор содержит корпус 88, в подшипнике которого установлен ведущий вал 89, имеющий фланец 90 для соединения с фланцем коленчатого вала и коническую шестерню 91, входящую в зацепление с конической шестерней 92, закрепленной на вертикальном валу 93, установленном в подшипнике крышки 94 и имеющего втулку 95 с внутренними шлицами, внутрь которой входит шлицевой конец ведущего вала верхнего редуктора. К С-образной раме привернуты зубчатые рейки 96 и 97, входящие в зацепление с зубчатыми шестернями 98 и 99, установленными на муфтах свободного хода вала 100 двигателя, закрепленного в подшипнике передней крышки 101 корпуса двигателя. Усилитель мощности содержит также противовес 102, имеющий направляющие 103, входящие в пазы передней крышки и корпуса с возможностью перемещения противовеса в вертикальной плоскости. К противовесу привернута зубчатая рейка 104, входящая в зацепление с шестерней 105, свободно сидящей на оси, закрепленной в крышке и входящей в зацепление с зубчатой рейкой 106, закрепленной на С-образной раме.

Блок управления двигателем содержит корпус 107 с входным и выходным фланцами. Внутри корпуса установлены цилиндрические опоры 108 и 109, в одну из которых вставлен передний стержень конического клапана 110, а в другую вставлена втулка 111, имеющая внутреннюю резьбу с большим шагом, в которую ввернут задний резьбовой стержень конического клапана, выполненного заодно с шестерней 112, входящей в зацепление зубчатой рейкой 113 вертикального вала 114, установленного во втулках 115 и 116 с возможностью перемещения в вертикальной плоскости. На вертикальный вал надета пружина 117, одним концом взаимодействующая со стержнем 118, установленным на упомянутом валу, а другим концом контактирующая с концом вилки 119, установленной на оси опоры 120 и имеющей на другом конце внутренние зубья, входящие в зацепление с шестерней 121 привода клапана, установленной на оси опоры 122, размещенной внутри корпуса и входящей в зацепление с зубчатой рейкой 123 толкателя 124, установленного во втулках 125 и 126 с возможностью перемещения в вертикальной плоскости и нагруженного возвратной пружиной 127. В нижней части толкатель взаимодействует с кулачком 128, выполненным заодно с ручкой 129, имеющей подпружиненный фиксатор 130 и установленной на оси, закрепленной в крышке 131. Удержание ручки в той или иной позиции обеспечивается с помощью зубчатого сектора 132. К шестерне привода клапана прикреплен рычаг 133, имеющий паз, в который входит стержень 134, закрепленный на конце резьбовой втулки. Вертикальный вал через рычаг, не показанный на чертеже, а также рычаги 135 и 136 соединен с выходным звеном шариковой передачи 137 центробежного регулятора, содержащего горизонтальный вал 138, связанный с входным звеном шариковой передачи, установленный в подшипниках с возможностью продольного перемещения, имеющий шайбу 139, контактирующую с шариками 140, установленными в продольных пазах конуса 141, закрепленного на валу 142 совместно с шестерней 143, входящей в зацепление с шестерней привода регулятора, установленной на коленчатом валу.

Флюгер содержит неподвижный корпус 144 в форме стакана, который должен быть закреплен на какой-либо поверхности посредством фланца 145. Внутрь неподвижного корпуса вставлен подвижный корпус 146, опирающийся на шарикоподшипники 147, к которому в нижней части привернуто кольцо 148. Подвижный корпус удерживается внутри неподвижного корпуса посредством крышки 149. Сверху к подвижному корпусу приварен воздухозаборник 150, представляющий собой трубу, закрытую с одной стороны и имеющую отверстия 151, посредством которых ее внутренняя полость соединена через внутреннюю полость 152, отверстие 153, гибкий шланг 154 и фланец 155 с фланцем наружного трубопровода повышенного давления. Сверху к воздухозаборнику приварена сквозная цилиндрическая труба 156 со стабилизатором 157, выполненная в форме сопла Лаваля, у которого отношение площади критического сечения к площади выходного сечения составляет 1:10. В корпусе трубы вокруг критического сечения выполнен кольцевой канал 158, открывающийся внутрь трубы и посредством приваренной вертикальной трубы 159 с уплотнительным устройством 160, вставленной в отверстие 161 с возможностью вращения в нем, гибкого шланга 162, фланца 163 соединен с фланцем наружного трубопровода пониженного давления.

Работа четырехцилиндрового барометрического двигателя основана на создании по обе стороны каждого из поршней разности барометрического давления путем получения разрежения и наддува с помощью сопла Лаваля и воздухозаборника, установленных навстречу движения воздушного потока.

При движении воздуха со скоростью V стабилизатор 157 разворачивает флюгер навстречу потоку. Воздух, поступая в воздухозаборник 150, создает внутри него повышенное давление, вследствие чего массы воздуха проходят через отверстия 151, внутреннюю полость 152, отверстие 153, гибкий шланг 154, наружный трубопровод повышенного давления 67 и накапливаются во внутреннем трубопроводе повышенного давления 33. Одновременно с этим воздух, проходя через цилиндрическую трубу 156 со скоростью V, увеличивает свою скорость в десять раз, протекая через критическое сечение, создает в нем сильное разрежение, в результате чего воздух, находящийся во внутреннем трубопроводе пониженного давления 31, в корпусе блока управления 107, наружном трубопроводе пониженного давления 72 и гибком шланге 162, станет удаляться из них. В результате во внутреннем трубопроводе повышенного давления 33 барометрическое давление воздуха будет больше атмосферного, а во внутреннем трубопроводе пониженного давления 31 барометрическое давление воздуха будет меньше атмосферного. При перемещении ручки 129 влево (фиг. 23) предварительно необходимо нажать на кнопку и вывести защелку 130 из зацепления с зубчатым сектором 132, вместе с ней перемещается вниз кулачок 128. Пружина 127 распрямляется и перемещает вниз вертикальный толкатель 124, зубчатая рейка 123 которого поворачивает шестерню 121 привода клапана против часовой стрелки. Вместе с шестерней поворачивается рычаг 133 и перемещает резьбовую втулку 111 влево, открывая конусный клапан 110, тем самым соединяя трубопровод пониженного давления 31 с внутренней полостью сопла Лаваля. В результате воздух через воздухосборник 150 станет поступать через отверстия 151, внутреннюю полость 152, отверстие 153, гибкий шланг 154, трубопроводы 67, 33, 38 в корпус 42 воздухораспределителя и далее через L-образное отверстие 48 золотника 46, отверстие 43 в верхнюю полость цилиндра 4 (на фиг. 18 показано сплошным стрелками). В то же время воздух из нижней полости цилиндра 4 станет отсасываться через другое отверстие 43, другое отверстие 48 золотника 46, трубопроводы 41, 31, 72, 162, трубу 159 внутрь сопла Лаваля и уносится проходящим потоком воздуха (на фиг. 18 показано пунктирными стрелками). В результате барометрическое давление в верхней полости цилиндра 4 станет повышенным, а в нижней полости пониженным. Из-за возникшей разности давления с одной и другой стороны поршень 8 придет в движение и станет перемещаться вниз через шток 12 и кривошип 13, приводя во вращение коленчатый вал 18.

Как только поршень 8 дойдет до нижней мертвой точки, а коленчатый вал повернется на 180^o, кулачок 19 передвинет вилку 61 вниз иди вместе с ней вертикальный рычаг 59 и рычаг 57. Шестерня 55 повернется и повернет шестерню 53, а вместе с ней и золотник 46, который займет положение, показанное на фиг. 19. При этом воздух из воздухозаборника 150, отверстия 151 через внутреннюю полость 152, гибкий шланг 154, наружный 67, внутренний 33 трубопроводы повышенного давления, трубопровод 40, L-образный канал 48 золотника 46 станет подаваться в нижнюю полость цилиндра 4 (на фиг. 19 показано сплошными стрелками). В то же время воздух из верхней полости цилиндра 4 через другое L-образное отверстие 48 золотника 46, трубопроводы 39, 31, корпус блока управления 107, наружный трубопровод пониженного давления 72, гибкий шланг 162, отверстие 161, вертикальную трубу 159, кольцевой канал 158 станет отсасываться и выбрасываться внутрь сопла и уноситься с потоком воздуха (на фиг. 19 показано пунктирными стрелками). Возникшая разность барометрического давления в верхней и нижней полостях цилиндра 4 заставит поршень 8 перемещаться вверх, поворачивая коленчатый вал 18 еще на 180^o. По достижении поршнем верхней мертвой точки происходит переключение воздухораспределительного крана, и все начинается сначала. Работа остальных цилиндров 5, 6, 7 происходит так же, что можно определить из диаграммы на фиг. 15, где большой круг соответствует верхней полости, малый круг нижней полости, заштрихованные участки - повышенному давлению, незаштрихованные - пониженному давлению, а закрашенные участки - моментам переключения золотников распределительного крана. Золотники 46 и 47 работают независимо друг от друга: первый обслуживает цилиндры 4 и 5, а второй - цилиндры 6 и 7, посредством аналогичных шестерен 56 и 54, рычагов 58 и 60, кулачка 23 и вилки 62. Для увеличения или уменьшения частоты вращения коленчатого вала необходимо передвинуть ручку 129 и в ту или иную сторону и тем самым увеличить или уменьшить проходное сечение клапана 110, что ведет к увеличению или уменьшению разрежения в цилиндрах и соответственно увеличению или уменьшению частоты вращения коленчатого вала. Перевод ручки 129 в правое крайнее положение приводит к полному закрытию клапана 110 и остановке двигателя. Скорость воздушного потока V может изменяться в больших пределах и тем самым влиять на величину наддува и разрежения в цилиндрах, что ведет к нестабильности вращения коленчатого вала. В этом случае поддержание постоянства частоты вращения коленчатого вала осуществляется регулятором 22. Если по каким-либо причинам частота вращения коленчатого вала увеличится, то увеличится также скорость вращения шестерен 21 и 143, а вместе с ними и конуса 141. Шарики 140 под действием возросшей центробежной силы переместятся влево вдоль пазов и передвинут влево шайбу 139, вал 138, шарики шариковой передачи 137. При этом рычаг 135 повернется и переместит на некоторую величину вверх вертикальный вал 114, сжимая пружину 117. Зубчатая рейка 113 передвинется вверх и повернет шестерню 112. Резьбовая часть клапана 110 вывернется из втулки 111. Клапан 110 передвинется вправо и уменьшит проходное сечение трубопровода пониженного давления, что увеличит сопротивление прохождению воздуха и уменьшит скорость его удаления из полостей цилиндров 4, 5, 6, 7, а это приведет к уменьшению частоты вращения коленчатого вала до необходимой величины. При уменьшении частоты вращения коленчатого вала центробежная сила, действующая на шарики 140, уменьшится и пружина 117 передвинет вниз вертикальный вал 114, который повернет рычаг 135 и через шарики шариковой передачи 137 передвинет вал 138 вправо. Зубчатая рейка 113 опустится вниз и повернет шестерню 112 в противоположную сторону, вворачивая внутрь резьбовой втулки 111 конец стрежня клапана 110, увеличивая тем самым проходное сечение трубопровода пониженного давления, что приведет к уменьшению сопротивления и увеличению скорости удаления воздуха из полостей цилиндров 4, 5, 6, 7 и повышению частоты вращения коленчатого вала до необходимой величины. Таким образом, при изменении скорости воздушного потока регулятор изменяет проходное сечение трубопровода пониженного давления, увеличивая или уменьшая скорость истечения воздуха из полостей цилиндров и тем самым поддерживает заданную ручкой 129 частоту вращения коленчатого чала. Во время работы двигателя каждый поршень, независимо от направления движения, совершает рабочий ход, а подготовительные ходы отсутствуют. Следовательно, в четурехцилиндровом двигателе при повороте коленчатого вала на 360^o совершается восемь рабочих ходов. Для повышения мощности двигателя путем создания более высокой степени разрежения и наддува может быть использовано несколько флюгеров, подключенных, как показано на фиг. 20.

Во время работы двигателя вместе с коленчатым валом 18 вращается ведущий вал 89 нижнего редуктора и вместе с ним ведущая шестерня 91, которая через шестерню 92, вал 93, втулку 95 приводит во вращение ведущий вал 86 верхнего редуктора, который через шестерни 85 и 84 приводит во вращение вал 81, а он приводит во вращение в противоположные стороны шестерни 77 и 78. Вместе с последними вращаются навстречу друг другу дисбалансы 79 и 80, которые создают инерционные моменты F, приложенные к C-образной раме 75 попеременно, то с одной, то с другой стороны в вертикальной плоскости. Под действием инерционных сил F C-образная рама 75 совершает возвратно-поступательные движения в вертикальной плоскости и посредством зубчатых реек 96 и 97 поворачивает зубчатые шестерни 98 и 99, которые за счет муфт свободного хода, вращаясь периодически в разные стороны, обеспечивают одностороннее вращение вала двигателя 100, создавая на нем мощность, значительно превосходящую мощность коленчатого вала. Так как C-образная рама 75 с деталями, установленными на ней, обладает достаточной массой и, перемещаясь в вертикальной плоскости с ускорением, создает значительные инерционные силы, действующие на корпус двигателя, то уравновешивание этих сил происходит за счет движения в противоположную сторону противовеса 102, который приводится в движение посредством зубчатой рейки 106, воздействующей через шестерню 105 на зубчатую рейку 104.

Предлагаемый двигатель может быть использован для получения электроэнергии в местах, куда доставка топлива затруднена и существуют стабильные воздушные потоки, а также на морских судах в количестве дополнительной энергетической установки.

Положительный эффект изобретения: простота запуска и остановки, не загрязняет окружающую среду, отсутствие тепловых потерь, создает меньше шума, имеет меньшую пожароопасность и не требует органического топлива.

Предлагаемый барометрический двигатель автор просит назвать "Барометрический двигатель В.С. Григорчука".

Изобретение может найти применение в энергетике и на водном транспорте. Двигатель содержит кривошипно-шатунный механизм, распределительный механизм, систему смазки, блок управления, флюгер. Новым в двигателе является то, что каждая пара кривошипов коленчатого вала установлена под углом 180^o относительно друг друга, а каждая последующая смещена относительно предыдущей на 90^o, причем кривошипы посредством шатунов и штоков соединены с поршнями, размещенными внутри цилиндров двухстороннего действия, внутренние полости которых соединены через распределительный механизм с трубопроводами повышенного и пониженного давления, которые посредством гибких шлангов соединены соответственно с воздухозаборником и внутренней полостью сквозной трубы флюгера, выполненный в форме сопла Лаваля, кроме того, коленчатый вал через усилитель мощности связан с валом двигателя, имеющего блок управления с регулятором частоты вращения коленчатого вала. Изобретение обеспечивает уменьшение шума и пожароопасности, простоту запуска и остановки, предотвращает загрязнение окружающей среды, снижает тепловые потери и не требует органического топлива. 4 з.п. ф-лы, 24 ил.

1. Барометрический двигатель, содержащий кривошипно-шатунный механизм, распределительный механизм, механизм управления и систему смазки, отличающийся тем, что кривошипно-шатунный механизм кинематически соединен с усилителем мощности и воздухораспределительным механизмом, который пневматически соединен с внутренними полостями цилиндров и флюгером. 2. Барометрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что кривошипы каждой пары коленчатого вала установлены под углом 180^o относительно друг друга, а каждая последующая пара смещена относительно предыдущей на 90^o, причем каждый кривошип коленчатого вала посредством шатуна и штока соединен с поршнем, вставленным в цилиндр двустороннего действия. 3. Барометрический двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что воздухораспределительный механизм содержит распределительный кран с двумя золотниками, кинематически связанными с кулачками коленчатого вала, пневматически связанный с полостями цилиндров и трубопроводами повышенного и пониженного давлений, причем последний содержит блок управления двигателем, кинематически связанный с регулятором частоты вращения коленчатого вала. 4. Барометрический двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что усилитель мощности кинематически связан с коленчатым валом и содержит раму с закрепленными на ней двумя шестернями, имеющими дебалансы, причем рама, установленная с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, посредством зубчатых реек соединена с двумя шестернями, установленными на муфтах свободного хода вала двигателя, а шестерни с дебалансами кинематически через верхний и нижний редукторы соединены с коленчатым валом. 5. Барометрический двигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что флюгер, закрепленный на неподвижном основании с возможностью поворота в горизонтальной плоскости на 360^o, содержит воздухозаборник, соединенный гибким шлангом с трубопроводом повышенного давления, сквозную трубу со стабилизатором, выполненную в форме сопла Лаваля с отношением площади критического сечения к площади выходного сечения 1:10, внутренняя полость которой посредством труб и гибкого шланга соединена с трубопроводом пониженного давления.