Індукційно-тепловий акумуляторний поршневий двигун-агрегат вижленкова

Винахід відноситься до усіх галузей промисловості і сільського господарства у якості екологічно чистих двигунів для різного роду пасажирських і маршрутно - вантажних транспортних засобів. Пропонований винахід знайде реальна застосування у комунально - міському і міжміському транспорті, всередині заводського промислового транспорту у рудничному транспорті, а також у річковому і морському флотах на катерах і різного призначення автономних підводних апаратах. В основу даного винаходу поставлено задачу вирішення технічної проблеми по розробці нового індуційно - електричного тепло - акумуляторного інерційного двигуна - агрегата для різноманітних пасажирських та вантажних транспортних засобів, які будуть працювати з великим ККД без використання рідкого, або газоподібного видів палива, що дозволить досягти значного економічного ефекту, ж також виключити забруднення навколишнього середовища безпосередньо транспортними засобами. Прототипом даного винаходу є електричний теплоакумуляторний інерційний паровий двигун - агрегат Вижленкова (див. патент України №42868). Пропонований винахід має тепловий акумулятор - випарувач з електричним індукційним розігрівом; циліндро - поршневий двигун з зубчастим колесом /маховиком/, коробкою передач і трансмісійним валом; електричну систему , що складається з електромережі, пристрою індукційного розігріву та електричного обладнання. Паро - тепловий акумулятор - випаровувач, з внутрішньою циліндричною порожниною є основним елементом конструкції двигуна - агрегату і виконаний у вигляді металевого масивного фігурно циліндричного елементу у тепло - ізоляційному корпусі з кільцевими електрокатушками /обмотками/ з ізольованого проводу або спирали з мідної трубки з електричною і тепловою ізоляцією /індуктора/ та з пропуском води через внутрішню порожнину спіралі, спільно запресованих у другий, зовнішній теплоізоляційний циліндричний корпус. Всередині теплового акумулятора також знаходяться: металевий стакан, втулочна муфта і тепловий диск. Bсe це розміщено всередині герметично - зачиненого головного металевого циліндра з його торцевими кришками, закріпленого стяжними болтами і укріпленого на опорній фундаментній рамі. Металевий індукційний елемент тепло - акумулятора має горизонтальний поздовжньо вісьовий отвір з запресованою у ньому трубкою з важкоплавкого металу, тепло - ізоляційною втулкою і обкладкою. На трубці встановлено зворотній клапан. На корпусі головного циліндричного корпуса укріплена труба з таплоізоляційною обкладкою і дистанційною засувкою, з'єднуюча паро - тепловий акумулятор з циліндро - поршневим двигуном. Теплоакумулятор є головною технічною ознакою у пропонованому винаході. Цей технічно - конструктивний елемент є перетворювачем електричної енергії у теплову і одночасно її накопичувачем. Далі теплова енергія перетворюється у енергію тиску перегрітої пари, яка утворюється з води, що надходить по тр убці всередину порожнини теплоакумулятора. Циліндро - поршневий двигун. Аналогом до даного циліндро - поршневого двигуна може бути карбюраторний двигун вн утрішнього згорання. Циліндро - поршневий двигун відрізняється тим, що працює за двотактовою, а не чотиритактовою схемою, крім того, для роботи двигуна не потрібні такі конструктивні ознаки, як карбюратор, запальні свічі та розподільні вали, притаманні двигунам внутрішнього згорання. Циліндро - поршневий двигун відрізняється простотою, а значить і надійністю конструктивного улаштування. Для роботи двигуна не потрібні також вентилятор, повітроочищувач, глушник, поплавкова камера, водяна рубашка, розпилювач. Циліндро поршневий паровий двигун; може бути багатоциліндровим. Двигуні має: двоблочний картер з піддоном, колінчастий вал з ексцентриковими дисками /кулачками/, зовнішнє зубчасте колесо у кожусі, шатун з поршнем. Поршень знаходиться у циліндрі, розміщеному у верхньому картерному блоці, де також знаходяться клапанові коробки. Клапан впуску пари знаходиться на вертикальному стрижні з пружиною, встановленому на одному ексцентриковому диску колінчастого валу, а клапан випуску на другому стрижні, встановленому ва другому ексцентриковому диску. Зверху клапанних коробок у верхньому блоці картера камера - голівка, котра з’єднана з трубою термітного теплоакумулятора. На трубі є відгалужений зі зворотній клапаном, вентилем і зворотним клапаном /або заглушкою/. До колінчастого валу, за допомогою муфти, приєднана коробка передач. Двигун - агрегат для різних видівтранспорту повинен розроблятися відповідно конструктивних потреб конкретного різновиду транспортних засобів на базі пропонованого двигуна - агрегата. В основу повинна бути прийнята залежність потужності від геометричних та фізичних параметрів двигуна - а грегата. ( ) Ni = f Pi , Sп, lп , nц , h , [вт ] x де ( )[ Pi = f Vп. в, Кв.п ,К п, Тв , Т п, SV , кг м 2 з р п к [ ] ] SV = Vц × nц + Vк. в + Vтр , м3 де Ni - індикаторна потужність, /вт/; Pi - середній індикаторний тиск, /кг/м 2/; Sп - площа поршня, /м 2/; lп х - рух поршня /м/; nц - кількість циліндрів, /і/; h - механічний ККД; Vп.в - об’єм води початковий, /м 3/; Кв. п з - коефіцієнт збільшення об’єму при перетворенні види на пару, /і/, при збільшенні температури та сталому тиску; Кп р - коефіцієнт розширення пари, /м 3·К/; Тв Тп п ; к - початкова температура води і кінцева температура пари, /К/; åV - сумарний об’єм порожнин, /м 3/; Vц Vк.в, Vтр - об’єм циліндра, камери випаровувача, з'єдн уючи х труб та клапанних порожнин, /м 3/. Електрична система, що складається з пристрій електро - індукційної системи і електричного обладнання для забезпечення потреб бортової електросистеми. Пристрій електроіндукційної системи розігріву, також є головною ознакою пропонованого винаходу і складається з: перетворювача частоти електро - току, індукційного контуру і масивного фігурно циліндричного металевого елементу. Електроіндукційний пристрій забезпечує швидкий розігрів тепло акумулятора, дозволяє зменшити витрати електроенергії і досягти високої безпеки. Електричне обладнання бортової електро - системи складається: генератора сталого струму /допоміжний генератор/, акумуляторних батарей, шинної коробки, електророзподільного щита /збірки/ з пусковою і автоматичною захисною апаратурою, і інших електроприладів. Фіг.1 - зображено загальну схему влаштування двигуна - агрегата. Фіг.2 - індукційно - тепловий акумулятор у розрізі. Фіг.3 - паровий циліндро - поршневий двигун у розрізі. Фіг.4 - принципова електрична схема пристрою індукційного нагріву металевого елементу теплового акумулятора. Фіг.5 - стр уктурна схема пристрою індукційного нагріву металевого елементу теплоакумулятора. Пропонований індукційно - тепловий акумуляторний поршневий двигун - агрегат складається з: паро теплового акумулятора - випаровувача з електричним індукційним розігрівом; парового циліндро поршневого двигуна з зубчастим колесом /маховиком/, коробкою передач, роликообгінною муфтою і трансмісійним валом; електричної системи з пристроєм індукційного розігріву металевого елементу паро теплового акумулятора; виконаних: паротепловий акумулятор, з внутрішньою циліндричною порожниною у вигляді /фіг.2/ металевого масивного фігурного циліндричного елементу 1, у теплоізоляційному корпусі 2, з кільцевими електрокатушками /обмотками/ 3 з електрично ізольованого мідного проводу, спільно запресованих у др угий, зовнішній теплоізоляційний циліндричний корпус 4. Всередині паро - теплового акумулятора також знаходиться: металевий стакан 5, втулочна муфта 6 і тепловий диск 7. Все це розміщено всередині герметично - зачиненого головного металевого циліндра 8 з його торцевими кришками 9 і 10, укріпленого стяжними болтами 11 і укріпленого на опорній фундаментній рамі. Металевий індукційний елемент має горизонтальний продолбно - вісьовий отвір з запресованою у ньому трубкою 12, тепло - ізоляційною втулкою 13 і обкладкою 14. На трубці встановлено зворотний клапан 15. На корпусі головного циліндра укріплена труба 16, з теплю - ізоляційною обкладкою і дистанційною засувкою 17 /фіг.1/, з'єднуюча паротепловий акумулятор з циліндро - поршневим двигуном /одне або багато - циліндровим/, фіг.2, має: двоблочний картер 18 з піддоном 19. У нижньому блоці картера, у підшипниках, встановлено колінчастий вал 20 з ексцентриковими дисками /кулачками/ 21 і 22; зовнішнім зубчастим колесом /маховиком/ 23 у кожусі 24. На шийці 25 колінчастого валу знаходиться шатун 26, який, за допомогою пальця 27, з'єднано з поршнем 28, що знаходиться у циліндрі 29 у вер хньому блоці картера, де також, знаходяться клапанові коробки 30 і 31 з вентилем 31а. У одній з клапанових коробок /30/ знаходиться випускний клапан 32, а в іншій /31/ випускний клапан 33. Впускний клапан знаходиться на вертикальному стрижні 34 з пружиною 35, встановленому на одному з ексцентрикових дисків колінчастого валу, а клапан випуску на стрижні 36 з пружиною 37, встановленому на іншому ексцентриковому диску. Зверху клапанних коробок укріплено камеру - голівку 38, з'єднану з трубою теплового акумулятора, на якій є трубчасте відгалуження 39 зі зворотнім клапаном 40, вентилем 41 і зворотнім клапаном /або заглушкою/ 42. До колінчастого валу, за допомогою муфти, приєднано коробку передач 43. З протилежного боку, за допомогою ролико - фрикційної муфти 44, приєднано редуктор 45. У кожусі з зубчастий колесом /інерційним маховиком/ з'єднана мала шестерня 46 з зовнішньою ролико обгінною муфтою 47 /фіг.2/, яка, в свою чергу, з’єднана зі стартовим пусковим електро - двигуном 48. В конструктивну компановку пропонованого двигуна - агрегата додатково входять також водотрубна і пневмо системи. Водотрубна система /фіг.1, 2, 3/ у вигляді: бака 49, додаткової місткості 50 з електроспиралями 51, електро - насоса 52, зворотного клапана послідовно з’єднуючихся з трубкою з важкоплавкого металу, укріпленою всередині індукційного теплового акумулятора. На двигуні мається трубно - конденсаційний змійовик 53 /фіг.3/ з баком 54 і краном - засувкою 55, який не є обов’язковим. Пневмосистема /фіг.1/ у вигляді одного, або двох балонів 56 і 57, із стисненим повітрям. Кожний балон має зворотній клапан 58, вентиль 59, електровентильний регулятор 60 і гнучий шланг зі штуцерною гайкою. Електрична система, ще складається з пристрою електро - індукційної системи і додаткового електричного обладнання бортової електро - системи. Пристрій електро - індукційної системи - пристрій індукційного розігріву, одна з можливих принципових електричних схем якого зображена на фіг.4, а стр уктурна схема на фіг.5, складається з: 1./ блоку випрямлення БВ, який складається з вхідного пристрою ВП /трансформатора Тр фіг.4/, перетворюючого змінну напругу живлення Uж у трансформовану зміну напругу Uт потрібної величини, яка випрямляється двонапівперіодним випрямлячем В /на потужних діодах Д1 і Д2 фіг.4/, перетворюючись у напругу Uв , яка, в свою чергу, згладжується індуктивно - місткістним згладжуючим фільтром, Зф /індуктивність Lф i конденсатор Сф великої місткості фіг.4/, перетворюючись у сталу згладжену напругу Uз; 2./ блоку перетворення Бп, який складається з автономного резонансного інвертора А і Ρ /на потужних тиристорах Т1-Т 4, індуктивності Li конденсаторі С /фіг.4/, перетворюючого сталу напругу U з у змінну Uп потрібної частоти, і керованого імпульсами Uк , які виробляються схемою керування СК /електронного імпульсного генератора невеликої потужності/, що живиться напругою живлення керування U ж.к = Uз; 3./ нагрузочного пристрою Н.П., який живиться перетвореною змінною напругою Uп /на принциповій схемі - індуктивність Li/ i являє собою котушку з мідного дроту, з великою площею поперечного перерізу, або мідної трубки /для водного охолодження/, намотану навколо головного металевого елемента теплового акумулятора - випаровувача і призначену для його індукційного розігріву ви хровим струмом. При розробці пристрою індукційного - розігріву була використана наступна література: Ю.С. Забродін "Промышленная електроніка", М., "высшая школа", 1982. Додаткове електричне обладнання бортової електро - системи складається з генераторва 61 сталого струму /фіг.1 і 2 / допоміжний генератор тільки у разі використання у якості автономного електрогенератора/, ще має якір 62, статор 63, колектор 64 та щітки 65, акумуляторних батарей 66 /фіг.1/, шинних коробок 67 і 68, пускових і контролюючих пристроїв розміщених у ящику 69. Принцип дії двигуна - агрегата. І./ Попередай екіпіровка /підготовка/. Заправка двигуна - агрегата здійснюється у наступній послідовності, яка полягає у розігріві металевого масивного елементу і паро - теплового акумулятора - випаровувача, наповненні водою бака 49 і додаткової місткості 50, наповненні стисненим повітрям балонів 56 і 57, якщо вони порожні, і нагріванні води у місткостях 49 і 50, температури кипіння. Попередня екіпіровка маже здійснюватися в гаражі або на спеціальних заправних пунктах. Екіпіровка електроенергією катерів може здійснюватися на причалах, у портах або спеціальних причальних пунктах, а також за допомогою катера, маючого на своєму борту електростанцію. II./ Принцип руху, або перетворення теплової енергії у механічну. Після розігріву теплового акумулятора - випаровувача вимикається шестерінчасто - насосний агрегат або електромагнітний плунжерний насос 52, який спочатку працює від акумуляторної батареї 66 і гаряча вода, з насиченою парою, з місткості 50 надходить по трубці 12 /фіг.2/, через зворотний клапан 15 у розігрітий металевий елемент 1 і, далі, у циліндричну порожнину - ЦΠ - пароперегрівача, де миттєво перетворюється у перегрітий, миттєво підвищується тиск. З циліндричної порожнини, піді великим тиском, пар надходить у тр убу 16. Далі пар надходить у циліндричну камеру - голівку 38 циліндро - поршневого двигуна. Вмикається стартовий пусковий електро - двигун 48, який живиться, від акумуляторної батареї 66, і, за допомогою ролікообгінної муфти 47 /фіг.2/ малої шестерні 46 і зубчастого колеса /маховика/ 23, обертає колінчастий вал 20. Обертаючись колінчастий вал 20, за допомогою ексцентрикового диску 22, рухає вертикальний підпружений стрижень 34, який відкриває впускний клапан 32. Пар миттєво надходить у циліндр 29, рухає поршень 28, який в свою чергу, за допомогою шатуна 26, обертає колінчастий вал 20. Обертаючись, другий ексцентриковий диск 21 рухає вертикальний підпружений стрижень 36, який відкриває випускний клапан 33, а впускний клапан 32 у цей час зачиняється. Відпрацьована пара надходить у клапану коробку 31 і далі у конденсаційний змійовик 53, або просто у зовнішнє середовище. Стартовий пусковий електродвигун 48 після кількох обертів колінчастого вала 20 поршневого двигуна автоматично вимикається і переходить у режим генератора. Принцип дії поршневого двигуна примірно подібний до принципу дії двигуна внутрішнього згорання, але відрізняється від останнього двотактовою схемою роботи, що виключає необхідність встановлення додаткових вісей з ексцентриковими дисками та редукторів для затримки обертання відносно колінчастого валу у два рази, отже, пропонований двигун - агрегат конструктивно простий, має високий ККД. Обертаючись, колінчастий вал двигуна обертає шестерінчастий механізм коробки передач 43, за допомогою якої здійснюється подальша передача обертаючего моменту і, відповідно, тягового зусилля на трансмісію будь - якої транспортної машини або на генератор. На потужних транспортних машинах може встановлюватись електрогенератор приводимий у дію додатковим трансмісійним валом. Енергія, виробляєма генератором буде передаватись на колісні електродвигуни. При невеликому навантаженні двигательної установки, або при різноманітних зупинках транспортного засобу, коли трансмісійний вал продовжує обертатися, енергія, виробляєма генератором, буде надходити у електронагрівачі для нагріву води. На випадок дуже тривалого руху або зупинок, коли індукційно - тепловий акумулятор охолонув, а також на випадок відсутності у баці 49 води, відсутності можливості зробити екіпіровку передбачено наявність "аварійних" балонів 56 і 57 із стисненим повітрям. При підключені "аварійних" балонів 56 і 57 попередньо зачиняється соленоїдна заглушка 17, відкриваються вентиль 41 /фіг.2/ на трубному відгалуженні 39 і вентиль 59 /фіг.1/ на пневмо - балоні. Стиснене повітря , як і пара буде надходити у клапану коробку 30, а відпрацьоване повітря через клапану коробку 31 та вентиль 31а - у зовнішнє середовище. В залежності від потужності двигуна - агрегата, розмірів теплового акумулятора та температури його розігріву довжина руху транспортного засобу може досягти від десятків до сотень кілометрів при одній екіпіровці двигательної установки. Додаткова електро - екіпіровка енерго - двигательної установки транспортних засобів може здійснюватися і від мобільно - пересувних електро - станцій. Пропонований двигун - агрегат не уступає двигунам внутрішнього згорання по ККД, конструктивно простий, має низьку собівартість виробництва та експлуатації. В роботі двигуна - агрегата виключені агресивні хімічні речовини.