RU2140562C1

RU2140562C1 - Engine

Info

Publication number: RU2140562C1
Application number: RU97114406A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Кузьмин; Н.А. Кузьмин
Original assignee: Иркутская государственная сельскохозяйственная академия
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1997-08-11
Publication date: 1999-10-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; drives of machines and mechanisms. SUBSTANCE: engine has water supply tank, sleeves, pistons moving along guide rods, intake and exhaust channels and valves, camshaft with cams mechanically coupled with crankshaft. Sleeves are arranged below crankshaft, and no seal is placed between sleeve and piston. Working stroke is provided by Archimedean lifting force. EFFECT: simplified design, provision of ecological safety. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства. The invention relates to engine building and can be used in all sectors of the economy.

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. The well-known design of a water engine / I.A. Perelman. "Entertaining Physics", book 2. Triad-Litera. M., 1994, pp. 106-109, fig. 53, 54 /. It is assumed that the tower at 20 meters high is filled with water. At the top and bottom of the tower pulleys are installed, through which a rope is thrown in the form of an endless belt. 14 hollow sealed cubic boxes are attached to the rope. The crates, being in the water, tend to move upward under the influence of the force of Archimedes and make the rope and pulleys rotate non-stop, transmitting the movement to the generator’s anchor.

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. But such an engine is not operational, since the force of hydrostatic pressure on the boxes is higher than the total force of Archimedes. However, the idea of using the power of Archimedes to drive mechanisms continues to interest mankind.

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. Known schemes of operation of cyclohydropneumatic and cycloaerostatic engines / R. A. Kovtun, Yu.N. Sokolov. "The principle of the cycle in the operation of engines and energy storage." Vol. 1.2 // Materials of the third international conference "Cycles of nature and society". Stavropol: Because of Stavropol University, 1995, p. 68-76, fig. 1-6 /. In a cyclohydro-pneumatic engine, the driving force of lifting and creating the rotational movement of the working body is gravitational force / gravity /, and the wave compressors are the source of energy of compressed air / Fig. 1/. The work of gravity in a closed loop is not equal to zero. In fig. 2 presents a diagram of the cycloaerostatic engine. Here, the work of the Archimedes force in a closed loop is not equal to zero.

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. Engines / Fig. 1, 2 / are theoretically operable, but their operation requires large-sized installations with a large depth of pontoon deepening and are applicable for driving stationary power plants and are analogues of the present invention.

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. The closest technical solution, selected as a prototype, is a hydraulic engine / water / containing a crankshaft with a flywheel and bearings of the main bearings, connecting rods connected to the shaft and pistons located in the cylinder liners in communication with the pipeline with a feeding capacity, and cylinder liners located below the crankshaft / patent N 5183, RF, 1928 /. The engine operates on the basis of hydrostatic and hydrodynamic pressure. This requires the supply of water from a water tower or from hydraulic structures with high pressure.

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. The advantage of our technical solution in comparison with the water engine adopted as a prototype is a higher efficiency / efficiency / due to the rational use of potential energy of a low-pressure dam structure. In the prototype, it is noted that water from a water tower or a natural reservoir is used to operate the water engine. Thus, first, with the help of some energy device, water is pumped into the water tower, and then the stored energy is used to drive the water engine. The rationality of such a technique and technical solution is doubtful. The presence of a natural reservoir with a pressure adequate to the height of the water tower, it is advisable to use using known jet turbines. The presence of low head / 1-1.5 m / natural reservoir has small hydrostatic and hydrodynamic heads, and the operation of the water engine becomes ineffective.

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./. The objective of the invention is the creation of the Kuzmin engine, which is powered by a renewable energy source of water flow using the lifting force of Archimedes without the use of mineral fuel / gasoline, diesel fuel, etc. /.

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. The task is achieved by the fact that the design of the Kuzmin engine includes a feed tank formed by the simplest low-pressure dam structure, an inlet channel, a sleeve, a piston, a guide rod for moving the piston, a crankshaft with a flywheel, inlet channels and valves, a camshaft kinematically connected with crankshaft. The liners are located below the crankshaft.

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/. In FIG. 1, 2 as an example, the device and principle of operation of the Kuzmin single-cylinder engine are schematically shown. Including in FIG. 1 shows the position of the crankshaft, piston, water, intake valve, camshaft cams during the stroke of the piston / up /. In FIG. 2 - the position of the same parts when idling the piston / down /.

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.Kuzmin’s engine contains: 1 - a nutrient tank for water; 2 - inlet channel; 3 - inlet valve; 4 - sleeve; 5 - the piston; 6 - a directing core; 7 - guide bushings; 8 - bracket; 9 - a rod; 10 - crank of the crankshaft; 11 - flywheel; 12 - camshaft drive 13; 14 - an inlet cam of a camshaft; 15 - exhaust valve; 16 - exhaust channel; 17 - an exhaust cam of a camshaft; 18 - valve;
Kuzmin’s engine works as follows. Using the valve 18, the supply tank 1 is connected to the inlet channel 2. The head "H" exceeds the position of the piston 5 at the top dead center by the amount of pressure loss when the water moves through the inlet channel 2, through the inlet valve 3 opening, through the cavity between the sleeve 4 and the piston 5. The piston 5 is placed on the guide rod 6 and moves along the guide bushings 7. The bracket 8 is connected to the connecting rod 9 by means of a hinge joint, and the last one with the crank of the crankshaft 10. The camshaft 13 is driven by the drive 12 ulachkami 14, 17. When performing idle piston 5 / Fig. 2 / the outlet valve 15 is open, water from the outlet channel 16 is directed / drained / into the open channel of the watercourse. Before starting the Kuzmin engine, the channel 2 is filled with water by opening the valve 18. In FIG. 1 exhaust channel 16 is conditionally not filled with water, with the aim of illustrating the ongoing process. Piston stroke / FIG. 1 / is provided by quickly filling the cavity of the cylinder 4 with water to the level of the upper generatrix of the piston 5. At the same time, due to the cam 14 of the camshaft 13, the intake valve 3 is open, the exhaust valve 15 is closed. As a result of the formation of the Archimedes force under its action, the piston 5 moves upward, transforming its translational motion into the rotational motion of the crankshaft due to the connecting rod 9. It is known that the vertical lifting force of Archimedes / P _A / is equal to the weight of the liquid in the volume of the body under consideration. The point of application of force / P _A / is the center of gravity of the fluid volume / Chugaev R.R. Hydraulics. - L .: Energy, 1971, p. 7-49 /. In general, the strength of Archimedes is defined as
P _A = ρ gW, (1)
where ρ is the density of the liquid, kg / m ³ ;
g is the acceleration of gravity, m / s ² ;
W is the volume of the body in question, immersed in a liquid, m ³ .

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.Three cases are distinguished:
P _A <G - the body sinks / G - gravity /;
P _A > G - the body floats to the surface of the liquid;
P _A = G - the body swims in a submerged state.

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.For the work of the proposed technical solution, the case where P _A > G is applied. During the movement of the piston 5 upward, the upper water level in the sleeve 4 should correspond to the upper generatrix of the piston 5, i.e. so that W = const / cm. formula I /. The increase in "2H" compared with the upper generatrix of the piston 5 is greater than the pressure loss in the supply path will lead to a decrease in the time of raising the piston 5, an increase in the rotational speed of the crankshaft and an increase in engine power. In this case, part of the liquid will pour out through the upper generatrix of the sleeve 4 and be discharged into the open channel of the watercourse.

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. The movement of the piston 5 down corresponds to idle. At this time, the exhaust valve 15 due to the cam 17 of the camshaft 13 is open, the intake valve 3 is closed. Fast water outflow is ensured by the pressure of water in the cylinder liner and the corresponding diameter of the hole under the valve 15. At the bottom dead center position of the piston 5, the valve 15 closes and the valve 3 opens. The process is repeated.

При работе многоцилиндрического двигателя Кузьмина впускной канал 2 является общим для всех гильз, тоже относится и к выпускному каналу 16. During operation of the Kuzmin multi-cylinder engine, the inlet channel 2 is common to all liners, and also applies to the exhaust channel 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/. The work of gravity from all moving parts making a reciprocating motion on a closed path from bottom to top and top to bottom is zero. Spent against her work is fully returned when moving "top-down" / V.G. Zubov. "Mechanics". Physics for everyone. M .: Nauka, 1978, p. 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. Starting the Kuzmin engine into operation, depending on the number of cylinders and power is carried out manually, mechanically or electrically. When cranking the crankshaft, the flywheel 11 stores kinetic energy, due to which the pistons 5 of the Kuzmin multi-cylinder engine are taken out of a possible equilibrium state until they receive the Archimedes force. After that, the starting device / in FIG. 1, 2 is not indicated / is turned off from work.

Смазка трущихся поверхностей коренных и шатунных вкладышей коленчатого вала и других шарнирных соединений возможна двумя способами. Lubrication of the rubbing surfaces of the main and connecting rod bearings of the crankshaft and other articulated joints is possible in two ways.

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. The first method is the inclusion of an oil pump in the design of the Kuzmin engine, similarly to the lubrication system of an internal combustion engine / in FIG. 1, 2 is not indicated. In this case, it is necessary to exclude the ingress of oil from its spraying into the water of the cylinders 4, ensuring the environmental friendliness of the design.

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. The second method is the installation of bearings on the necks of the crankshaft, eliminating the release of grease from them due to stuffing box seals. Filling of grease is carried out periodically, manually. The second method is the most appropriate.

Остановка двигателя Кузьмина и управление его работой осуществляется задвижкой 18. The Kuzmin engine is stopped and its operation is controlled by a valve 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. The advantage of the proposed technical solution / Kuzmin engine / in comparison with the internal combustion engine is the exclusion of mineral fuel from the work and environmental pollution from fuel combustion products. The seal between the liner 4 and the piston 5 is excluded from the piston group, while the Kuzmin engine friction power losses are reduced by 45-50%. The inner surface of the sleeve 4 and the outer surface of the piston 5 do not require additional processing and special material. The engine can be used in a hospital.

Источники информации
1. Я.И. Перельман. "Занимательная физика", книга 2, Триада-Литера., М., 1994, с.106-109.Sources of information
1. Ya.I. Perelman. "Entertaining Physics", book 2, Triad-Litera., M., 1994, pp. 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. 2. R. A. Kovtun, Yu.N. Sokolov. "The principle of the cycle in the operation of engines and energy storage." The cycles of nature and society. Vol. 1,2 // Materials of the third international conference. Stavropol: Because of Stavropol University, 1995, p. 68-76.

3. Р.Р.Чугаев. Гидравлика. - Л.: Энергия, 1971, с.7-49. 3. R.R. Chugaev. Hydraulics. - L .: Energy, 1971, p. 7-49.

4. В.Г.Зубков Механика. Физика для всех. - М.: Наука, 978, с.228 -230. 4. V.G. Zubkov Mechanics. Physics for everyone. - M .: Nauka, 978, p. 228 -230.

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

Claims

1. A water engine, including a feed tank, a crankshaft with a flywheel and bearings of main bearings, connecting rods, pistons, cylinder liners located below the crankshaft, inlet and outlet pipes, characterized in that the engine is equipped with intake and exhaust valves, a camshaft with an intake and exhaust cams.

2. The water engine according to claim 1, characterized in that a guide rod is installed along the axis of the sleeve, and the piston is equipped with an arm and guide bushings.

3. The water engine according to claim 1, characterized in that between the sleeve and the piston there is a gap without sealing.

4. The water engine according to claim 1, characterized in that between the camshaft and crankshafts there is a kinematic connection.