ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F01B19/00 

Изобретение относится к энергетике и машиностроению и может быть использовано в качестве поршневого двигателя в различных отраслях народного хозяйства.

Наиболее близким аналогом изобретения по технической сущности является поршневая машина, например поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус с крышкой и поршень, размещенный в корпусе и посредством штока связанный с валом отбора мощности (Новый политехнический словарь. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2000, с.131).

Недостатками известного двигателя являются сложная конструкция и необходимость использования сжигаемого углеводородного топлива, что снижает экологическую безопасность.

Задача изобретения - создание надежного и простого двигателя, удобного в эксплуатации и обеспечивающего экологическую безопасность за счет исключения сжигания топлива.

Поставленная задача решается за счет того, что поршневой двигатель, содержащий полый цилиндрический корпус и поршень, размещенный в корпусе с возможностью возвратно-поступательных перемещений и кинематически связанный с валом отбора мощности, снабжен системой циркуляции горячего и холодного теплоносителей, включающей теплообменники, электроуправляемые клапаны и насосы для подачи горячего и холодного теплоносителей в полость корпуса, и системой управления, связанной с системой циркуляции и включающей датчики верхнего и нижнего положений поршня в корпусе, корпус снабжен верхней и нижней крышками, поршень снабжен верхним и нижним упругими элементами, при этом верхний упругий элемент прикреплен одним концом к верхней крышке, а другим концом - к поршню, нижний упругий элемент прикреплен одним концом к нижней крышке, а другим концом - к поршню, и оба упругих элемента выполнены в виде перфорированных сильфонов или цилиндрических пружин из материала, обладающего эффектом памяти формы, кинематическая связь поршня с валом отбора мощности выполнена в виде штока, прикрепленного к поршню со стороны нижнего упругого элемента и расположенного внутри последнего, в верхней и в нижней частях корпуса или в верхней и в нижней крышках выполнены отверстия для впуска и выпуска горячего и холодного теплоносителей, причем отверстие для впуска горячего теплоносителя и отверстие для впуска холодного теплоносителя сообщены посредством одноименных каналов с установленными в них электроуправляемыми клапанами с общим трубопроводом, подключенным к системе циркуляции горячего и холодного теплоносителей с возможностью поочередной подачи в один из каналов соответствующего теплоносителя, датчики верхнего и нижнего положений поршня установлены в углублениях внутренней поверхности корпуса в его верхней и в нижней частях в зоне верхней мертвой точки поршня и в зоне нижней мертвой точки поршня и выполнены в виде оптронов, включающих связанные оптическим каналом источники и приемники излучения в виде светодиодов и фотодиодов соответственно, прикрепленные к поршню концы упругих элементов выполнены из материала с низкой теплопроводностью, не обладающего эффектом памяти формы.

Материал, обладающий эффектом памяти формы, из которого выполнены диски, представляет собой сплав со следующим содержанием компонентов в массовых долях, %: титан - 20-25, никель - 20-25, медь - 10-15, марганец - 4,5-4,9, цирконий - 1-1,15, иттрий - 0,2-0,25, углерод - 0,005-1,0, железо - остальное.

Указанное сочетание компонентов обусловлено следующими причинами. Марганец, никель и медь усиливают термоупругие мартенситные превращения и коррозионную стойкость стали; углерод выбран в качестве легирующего компонента, потому что он улучшает эффект памяти формы; введение циркония способствует увеличению гистерезиса между прямым и обратным мартенситными превращениями; добавление иттрия способствует пластификации матрицы, которая может охрупчиваться при введении в сплав циркония; концентрационный интервал содержания титана обеспечивает мартенситное превращение, технологичность и улучшение проявления эффекта памяти формы.

Изобретение поясняется чертежом, схематично изображающим описываемый поршневой двигатель.

Поршневой двигатель содержит полый цилиндрический корпус 1 и поршень 2, размещенный в корпусе 1 с возможностью возвратно-поступательных перемещений и кинематически связанный с валом отбора мощности (условно не показан). Двигатель снабжен системой циркуляции горячего и холодного теплоносителей (условно не показана), включающей теплообменники, электроуправляемые клапаны 3 и 4, насосы для подачи горячего и холодного теплоносителей в полость корпуса 1, и системой управления (условно не показана), связанной с системой циркуляции и включающей датчики 5 и 6 верхнего и нижнего положений поршня 2 в корпусе 1.

Корпус снабжен верхней и нижней крышками 7 и 8, а поршень 2 снабжен верхним и нижним упругими элементами 9 и 10, при этом верхний упругий элемент 9 прикреплен одним концом к верхней крышке 7, а другим концом - к поршню 2, нижний упругий элемент 10 прикреплен одним концом к нижней крышке 8, а другим концом - к поршню 2, и оба упругих элемента 9 и 10 выполнены в виде перфорированных сильфонов или цилиндрических пружин из материала, обладающего эффектом памяти формы.

При этом для усиления эффекта элементы 9 и 10 могут быть «настроены» на разные температуры, при которых происходят их деформации. Например, элемент 9 распрямляется при нагревании и сжимается при охлаждении, а элемент 10, наоборот, сжимается при нагревании и распрямляется при охлаждении.

Кинематическая связь поршня 2 с валом отбора мощности выполнена в виде штока 11, прикрепленного к поршню 2 со стороны нижнего упругого элемента 10 и расположенного внутри нижнего упругого элемента 10.

В верхней и в нижней частях корпуса 1 (или в верхней и в нижней крышках 7 и 8) выполнены отверстия 12 и 13 для впуска и выпуска горячего теплоносителя и отверстия 14 и 15 для впуска и выпуска холодного теплоносителя. Отверстие 12 для впуска горячего теплоносителя и отверстие 14 для впуска холодного теплоносителя сообщены посредством одноименных каналов 16 и 17 с установленными в них электроуправляемыми клапанами 3 и 4 с общим трубопроводом 18, подключенным к системе циркуляции горячего и холодного теплоносителей с возможностью поочередной подачи в один из каналов 16 или 17 и соответственно к отверстиям 12 или 14 горячего или холодного теплоносителя.

Датчики 5 и 6 верхнего и нижнего положений поршня 2 установлены в углублениях внутренней поверхности корпуса 1 в его верхней и в нижней частях в зоне верхней мертвой точки поршня 2 и в зоне нижней мертвой точки поршня 2 и выполнены в виде оптронов, обеспечивающих прямое и обратное электрооптическое преобразование и бесконтактное управление подачей теплоносителей и включающих связанные оптическим каналом источники и приемники излучения в виде светодиодов и фотодиодов соответственно (условно не показано). Установка датчиков 5 и 6 в небольших углублениях обеспечивает беспрепятственное скольжение поршня 2 по внутренней поверхности корпуса 1.

Прикрепленные к поршню 2 концы упругих элементов 9 и 10 выполнены из материала с низкой теплопроводностью, не обладающего эффектом памяти формы (условно не показаны). Наличие указанных участков, практически не подверженных деформациям при изменении температуры, предотвращает деформации поршня 2 и обеспечивает его беспрепятственное скольжение по внутренней поверхности корпуса 1.

Поршневой двигатель работает следующим образом.

По сигналам системы управления горячий теплоноситель поступает в трубопровод 18 и далее в канал 16. Когда электроуправляемый клапан 3 открывает отверстие 12, горячий теплоноситель поступает в полость корпуса 1, свободно перетекая через зазоры и перфорацию сильфона или витки пружины - упругих элементов 9 и 10. Вследствие проявления эффекта памяти формы упругие элементы 9 и 10 «вспоминают» свою форму, в результате чего элемент 9, распрямляясь, а элемент 10, сжимаясь, перемещают поршень 2 со штоком 11 в нижнее положение. При этом оптический канал, связывающий источник и приемник излучения датчика 5 верхнего положения, при смещении поршня 2 открывается, а оптический канал, связывающий источник и приемник излучения датчика 6 нижнего положения, перекрывается поршнем 2.

Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрических сигналов системы управления в свет, его передаче по оптическим каналам обратно в систему управления и в последующем преобразовании обратно в электрические сигналы системы управления, обеспечивающей бесконтактное управление подачей теплоносителей насосами, подогрев или охлаждение теплоносителей посредством теплообменников и включение или выключение электроуправляемых клапанов системы циркуляции.

По сигналам системы управления электроуправляемые клапаны закрывают отверстие 12 для впуска горячего теплоносителя и открывают отверстие 13 для выпуска горячего теплоносителя, через которое теплоноситель отсасывается в систему циркуляции.

Затем по сигналам системы управления холодный теплоноситель поступает в трубопровод 18 и далее в канал 17. Когда электроуправляемый клапан 4 открывает отверстие 14, холодный теплоноситель поступает в полость корпуса 1, свободно перетекая через зазоры и перфорацию сильфона или витки пружины - упругих элементов 9 и 10. Вследствие проявления эффекта памяти формы упругие элементы 9 и 10 «вспоминают» свою форму, в результате чего элемент 9, сжимаясь, а элемент 10, распрямляясь, перемещают поршень 2 со штоком 11 в верхнее положение. При этом оптический канал, связывающий источник и приемник излучения датчика 6 нижнего положения, при смещении поршня 2 открывается, а оптический канал, связывающий источник и приемник излучения датчика 5 верхнего положения, перекрывается поршнем 2.

Далее цикл повторяется.

Возвратно-поступательные перемещения поршня 2 преобразуются во вращательное движение вала обычным образом, например посредством кривошипно-шатунного механизма.

В качестве теплоносителя могут быть использованы как жидкости (например, вода), так и газы (например, воздух). Причем замкнутая система циркуляции позволяет использовать в нагретом или охлажденном состоянии один и тот же теплоноситель, периодически подаваемый в полость корпуса.

Изобретение обеспечивает создание надежного и простого двигателя, удобного в эксплуатации и обеспечивающего экологическую безопасность за счет исключения углеводородного топлива и всех связанных с его сжиганием проблем.

Изобретение может быть использовано в качестве поршневого двигателя в различных отраслях народного хозяйства. Двигатель содержит корпус с крышками, поршень с упругими элементами, прикрепленными к нему и к крышкам и выполненными в виде сильфонов или цилиндрических пружин из материала, обладающего эффектом памяти формы. Система циркуляции горячего и холодного теплоносителей включает теплообменники, электроуправляемые клапаны и насосы. Система управления включает датчики верхнего и нижнего положений поршня. Последний связан с валом штоком. В верхней и нижней частях корпуса выполнены отверстия для впуска и выпуска теплоносителей. Отверстия для впуска теплоносителей сообщены каналами с электроуправляемыми клапанами с общим трубопроводом, подключенным к системе циркуляции теплоносителей с возможностью поочередной подачи в один из каналов соответствующего теплоносителя. Датчики положений поршня выполнены в виде оптронов, включающих источники и приемники излучения, связанные оптическим каналом. Изобретение обеспечивает создание надежного и простого двигателя, удобного в эксплуатации и экологически безопасного. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Поршневой двигатель, содержащий полый цилиндрический корпус и поршень, размещенный в корпусе с возможностью возвратно-поступательных перемещений и кинематически связанный с валом отбора мощности, отличающийся тем, что он снабжен системой циркуляции горячего и холодного теплоносителей, включающей теплообменники, электроуправляемые клапаны и насосы для подачи горячего и холодного теплоносителей в полость корпуса, и системой управления, связанной с системой циркуляции и включающей датчики верхнего и нижнего положений поршня в корпусе, корпус снабжен верхней и нижней крышками, поршень снабжен верхним и нижним упругими элементами, при этом верхний упругий элемент прикреплен одним концом к верхней крышке, а другим концом - к поршню, нижний упругий элемент прикреплен одним концом к нижней крышке, а другим концом - к поршню, и оба упругих элемента выполнены в виде перфорированных сильфонов или цилиндрических пружин из материала, обладающего эффектом памяти формы, кинематическая связь поршня с валом отбора мощности выполнена в виде штока, прикрепленного к поршню со стороны нижнего упругого элемента и расположенного внутри последнего, в верхней и в нижней частях корпуса или в верхней и в нижней крышках выполнены отверстия для впуска и выпуска горячего и холодного теплоносителей, причем отверстие для впуска горячего теплоносителя и отверстие для впуска холодного теплоносителя сообщены посредством одноименных каналов с установленными в них электроуправляемыми клапанами с общим трубопроводом, подключенным к системе циркуляции горячего и холодного теплоносителей с возможностью поочередной подачи в один из каналов соответствующего теплоносителя, датчики верхнего и нижнего положений поршня установлены в углублениях внутренней поверхности корпуса в его верхней и в нижней частях в зоне верхней мертвой точки поршня и в зоне нижней мертвой точки поршня и выполнены в виде оптронов, включающих связанные оптическим каналом источники и приемники излучения в виде светодиодов и фотодиодов соответственно, прикрепленные к поршню концы упругих элементов выполнены из материала с низкой теплопроводностью, не обладающего эффектом памяти формы.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что материал, обладающий эффектом памяти формы, из которого выполнены упругие элементы поршня, представляет собой сплав со следующим содержанием компонентов в массовых долях, %:
титан 20-25 никель 20-25 медь 10-15 марганец 4,5-4,9 цирконий 1-1,15 иттрий 0,2-0,25 углерод 0,005-1,0 железо остальное