ДВИГАТЕЛЬ КУЗЬМИНА Российский патент 1999 года по МПК F03C1/02 F01B29/08 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства.

Известен проект водяного двигателя /Я.И.Перельман. "Занимательная физика", книга 2. Триада-Литера. М., 1994, с.106-109, рис. 53, 54/. Предполагается что башня в 20 м высоты заполнена водой. Наверху и внизу башни установлены шкивы, через которые перекинут канат в виде бесконечного ремня. К канату прикреплено 14 полых герметичных кубических ящиков. Ящики, находясь в воде, стремятся под действием силы Архимеда двигаться вверх и заставить канат и шкивы безостановочно вращаться, передавая движение на якорь генератора.

Но такой двигатель не работоспособен, так как сила гидростатического давления на ящики выше суммарной силы Архимеда. Однако идея использования силы Архимеда для привода механизмов продолжает интересовать человечество.

Известны схемы работы циклогидропневматического и циклоаэростатического двигателей /Р. А. Ковтун, Ю.Н.Соколов. "Принцип цикла в работе двигателей и накопителей энергии". Вып. 1,2 //Материалы третьей международной конференции "Циклы природы и общества". Ставрополь: Из-во Ставропольского ун-та, 1995, с.68-76, рис.1-6/. В циклогидропневматическом двигателе движущей силой подъема и создания вращательного движения рабочего органа является гравитационная сила /сила тяжести/, а источником энергии сжатого воздуха являются волновые компрессоры /рис. 1/. Работа силы тяжести в замкнутом контуре не равна нулю. На рис. 2 представлена схема работы циклоаэростатного двигателя. Здесь уже работа силы Архимеда в замкнутом контуре не равна нулю.

Двигатели /рис. 1, 2/ теоретически работоспособны, но для их работы требуются габаритные установки с большой высотой заглубления понтонов и применимы для привода стационарных энергетических установок и являются аналогами предлагаемого изобретения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, являются гидравлический двигатель /водяной/, содержащий коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, шатуны, связанные с валом и с поршнями, размещенными в гильзах цилиндров, сообщенных трубопроводом с питательной емкостью, причем гильзы цилиндров расположены ниже коленчатого вала /патент N 5183, РФ, 1928/. Двигатель работает на основе гидростатического и гидродинамического напоров. Для этого необходим подвод воды из водонапорной башни или от гидротехнических сооружений с большим напором.

Преимуществом предлагаемого нами технического решения по сравнению с водяным двигателем, принятым в качестве прототипа, является более высокий коэффициент полезного действия /КПД/ за счет рационального использования потенциальной энергии низконапорного плотинного сооружения. В прототипе отмечается, что для работы водяного двигателя используется вода из водонапорной башни или естественного водоема. Таким образом, сначала вода при помощи какого-то энергетического устройства закачивается в водонапорную башню, а затем запасенную при этом энергию используют на привод водяного двигателя. Рациональность такого приема и технического решения вызывает сомнение. Наличие естественного водоема с напором, адекватным высоте водонапорной башни, целесообразно использовать с применением известных реактивных турбин. Наличие низкого напора /1-1,5 м/ естественного водоема обладает малыми гидростатическими и гидродинамическими напорами, и работа водяного двигателя становится неэффективной.

Задача изобретения - создание двигателя Кузьмина, работающего за счет возобновляемого источника энергии водяного потока с применением подъемной силы Архимеда без использования минерального топлива /бензин, дизельное топливо и др./.

Поставленная задача достигается тем, что в конструкции двигателя Кузьмина включена питательная емкость, образованная за счет простейшего низконапорного плотинного сооружения, впускной канал, гильза, поршень, направляющий стержень для перемещения поршня, коленчатый вал с маховиком, впускные каналы и клапаны, распределительный вал, кинематически связанный с коленчатым валом. Гильзы расположены ниже коленчатого вала.

На фиг. 1, 2 в качестве примера схематично показано устройство и принцип действия одноцилиндрического двигателя Кузьмина. В том числе на фиг. 1 дано положение коленчатого вала, поршня, воды, впускного клапана, кулачков распределительного вала при рабочем ходе поршня /вверх/. На фиг. 2 - положение тех же деталей при совершении холостого хода поршня /вниз/.

Двигатель Кузьмина содержит: 1 - питательную емкость для воды; 2 - впускной канал; 3 - впускной клапан; 4 - гильзу; 5 - поршень; 6 - направляющий стержень; 7 - направляющие втулки; 8 - кронштейн; 9 - шатун; 10 - кривошип коленчатого вала; 11 - маховик; 12 - привод распределительного вала 13; 14 - впускной кулачок распределительного вала; 15 - выпускной клапан; 16 - выпускной канал; 17 - выпускной кулачок распределительного вала; 18 - задвижка;
Двигатель Кузьмина работает следующим образом. При помощи задвижки 18 питательная емкость 1 соединяется с впускным каналом 2. Напор "H" превышает положение поршня 5 в верхней мертвой точке на величину потерь напора при движении воды по впускному каналу 2, через отверстие впускного клапана 3, по полости между гильзой 4 и поршнем 5. Поршень 5 размещен на направляющем стержне 6 и перемещается по направляющим втулкам 7. Кронштейн 8 при помощи шарнирного соединения соединяется с шатуном 9, а последний с кривошипом коленчатого вала 10. При помощи привода 12 приводится в работу распределительный вал 13 с кулачками 14, 17. При совершении холостого хода поршня 5 /фиг. 2/ выпускной клапан 15 открыт, вода из выпускного канала 16 направляется /сливается/ в открытое русло водотока. Перед запуском двигателя Кузьмина в работу канал 2 заполняется водой путем открытия задвижки 18. На фиг. 1 выпускной канал 16 условно не заполнен водой, с целью наглядности протекающего процесса. Рабочий ход поршня /фиг. 1/ обеспечивается быстрым заполнением полости цилиндра 4 водой до уровня верхней образующей поршня 5. При этом за счет кулачка 14 распределительного вала 13 впускной клапан 3 открыт, выпускной клапан 15 закрыт. В результате образования силы Архимеда под ее действием поршень 5 перемещается вверх, преобразуя за счет шатуна 9 его поступательное движение во вращательное движения коленчатого вала. Известно, что вертикальная подъемная сила Архимеда /P_A/ равна весу жидкости в объеме рассматриваемого тела. Точкой приложения силы /P_A/ является центр тяжести объема жидкости /Чугаев Р.Р. Гидравлика. - Л.: Энергия, 1971, с.7-49/. В общем виде сила Архимеда определяется как
P_A = ρ gW, (1)
где ρ - плотность жидкости, кг/м³;
g - ускорение силы тяжести, м/с²;
W - объем рассматриваемого тела, погруженного в жидкость, м³.

Различаются три случая:
P_A < G - тело тонет /G - сила тяжести/;
P_A > G - тело всплывает на поверхность жидкости;
P_A = G - тело плавает в погруженном состоянии.

Для работы предлагаемого технического решения применен случай, когда P_A>G. Во время движения поршня 5 вверх верхний уровень воды в гильзе 4 должен соответствовать верхней образующей поршня 5, т.е. чтобы W=const /см. формулу I/. Увеличение "2H" по сравнению с верхней образующей поршня 5 больше, чем потери напора в подводящем тракте приведет к уменьшению времени подъема поршня 5, увеличению частоты вращения коленчатого вала и увеличению мощности двигателя. При этом часть жидкости будет изливаться через верхнюю образующую гильзы 4 и отводиться в открытое русло водотока.

Движение поршня 5 вниз соответствует холостому ходу. В это время выпускной клапан 15 за счет кулачка 17 распределительного вала 13 открыт, впускной клапан 3 - закрыт. Быстрое истечение воды обеспечивается напором воды в гильзе цилиндра и соответствующим диаметром отверстия под клапаном 15. В нижней мертвой точке положения поршня 5 клапан 15 закрывается, а клапан 3 открывается. Процессе повторяется.

При работе многоцилиндрического двигателя Кузьмина впускной канал 2 является общим для всех гильз, тоже относится и к выпускному каналу 16.

Работа силы тяжести от всех подвижных деталей, совершающих возвратно-поступательное движение на замкнутой траектории "снизу-вверх" и "сверху-вниз" равна нулю. Затраченная против ее работа полностью возвращается при движении "сверху-вниз" /В.Г.Зубов. "Механика". Физика для всех. М.: Наука, 1978, с.228-230/.

Запуск двигателя Кузьмина в работу в зависимости от числа цилиндров и мощности осуществляется ручным, механическим или электрическим приводом. При проворачивании коленчатого вала маховик 11 запасает кинетическую энергию, за счет которой поршни 5 многоцилиндрического двигателя Кузьмина выводятся из возможного состояния равновесия до восприятия ими силы Архимеда. После этого пусковое устройство /на фиг. 1, 2 не обозначено/ выключается из работы.

Смазка трущихся поверхностей коренных и шатунных вкладышей коленчатого вала и других шарнирных соединений возможна двумя способами.

Первый способ - включение в конструкцию двигателя Кузьмина масляного насоса, аналогично системе смазки двигателя внутреннего сгорания /на фиг. 1, 2 не обозначено/. В этом случае следует исключить попадание масла от его разбрызгивания в воду цилиндров 4, обеспечивая экологичность конструкции.

Второй способ - установка на шейках коленчатого вала подшипников, исключающих выход смазки из них за счет сальниковых уплотнений. Наполнение смазки осуществляется периодически, вручную. Второй способ представляет наиболее целесообразным.

Остановка двигателя Кузьмина и управление его работой осуществляется задвижкой 18.

Преимуществом предлагаемого технического решения /двигатель Кузьмина/ по сравнению с двигателем внутреннего сгорания является исключение из работы минерального топлива и загрязнения окружающей среды от продуктов горения топлива. Из поршневой группы исключается уплотнение между гильзой 4 и поршнем 5, при этом потери мощности двигателя Кузьмина на трение снижаются на 45-50%. Внутренняя поверхность гильзы 4 и наружная поверхность поршня 5 не требуют дополнительной обработки и специального материала. Двигатель может быть использован на стационаре.

Источники информации
1. Я.И. Перельман. "Занимательная физика", книга 2, Триада-Литера., М., 1994, с.106-109.

2. Р. А.Ковтун, Ю.Н.Соколов. "Принцип цикла в работе двигателей и накопителей энергии". Циклы природы и общества. Вып. 1,2// Материалы третьей международной конференции. Ставрополь: Из-во Ставропольского ун-та, 1995, с. 68-76.

3. Р.Р.Чугаев. Гидравлика. - Л.: Энергия, 1971, с.7-49.

4. В.Г.Зубков Механика. Физика для всех. - М.: Наука, 978, с.228 -230.

5. Патент РФ, N 5183, F 03 C 1/02, 1928 - прототип.

Двигатель предназначен для использования в машиностроении для привода различных машин и механизмов. Двигатель содержит питательную емкость воды, гильзы, поршни, перемещающиеся по направляющим стержням, впускные и выпускные каналы и клапаны, распределительный вал с кулачками, кинематически связанный с коленчатым валом. Причем гильзы расположены ниже коленчатого вала, а между гильзой и поршнем уплотнение отсутствует. Совершение рабочего хода осуществляется при помощи подъемной силы Архимеда. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, экологическую безопасность. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Водяной двигатель, включающий питательную емкость, коленчатый вал с маховиком и опорами коренных подшипников, шатуны, поршни, гильзы цилиндров, расположенных ниже коленчатого вала, подводящие и отводящие трубы, отличающийся тем, что двигатель оснащен впускным и выпускным клапанами, распределительным валом с впускным и выпускным кулачками. 2. Водяной двигатель по п.1, отличающийся тем, что по оси гильзы установлен направляющий стержень, а поршень снабжен кронштейном и направляющими втулками. 3. Водяной двигатель по п.1, отличающийся тем, что между гильзой и поршнем имеется зазор без уплотнения. 4. Водяной двигатель по п.1, отличающийся тем, что между распределительным и коленчатым валами существует кинематическая связь.