Двигатель с кинетическим аккумулятором

Двигатель с кинетическим аккумулятором

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено в качестве силовой установки на автомобилях, других видах транспорта, а также для привода энергетических машин. Известны двигатели с механическим аккумулятором, в которых в середине прошлого века механическая энергия раскручивала маховик, аккумулировала в нем кинетическую энергию, то есть заряжала его, последняя приводила в движение гировозы, которые осуществляли движение небольших поездов. Длина пробега поезда после одной зарядки маховика составляла 4-5 км, применялись гировозы в качестве вспомогательного транспорта во взрывоопасных шахтах. Некоторое практическое применение получили тогда в Бельгии, Швейцарии, России электрожиробусы, оборудованные маховым агрегатом, состоящим из асинхронного двигателя-генератора, сочлененного с маховиком, и тяговых электродвигателей. При этом КПД был менее 50%, а по затратам в эксплуатации дороже троллейбуса и автобуса (БСЭ том 9, стр.222). Основными недостатками были: применение в качестве аккумулятора-маховика стального сплошного диска, момент инерции которого в два раза меньше (J=mr²/2,) например, тонкостенного цилиндрического кольца (J=mr²), так как во вращательном движении роль массы играет момент инерции; небольшое максимальное число оборотов 2000-3000 об/мин), при котором невысокая угловая скорость вращения маховика не могла развивать и аккумулировать большое количество кинетической энергии, T=J/2ω². Эти недостатки сделали двигатель громоздким, не эффективным и утратили интерес в его дальнейшем развитии и применении.

Кинетическая энергия (T=J/2ω²) является наиболее распространенной энергией, с которой мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни, практически мало изучена, забыта и не используется. Потенциал этой энергии огромен и в применении безграничен, не требует больших затрат на создание на ее базе двигателей на кинетической энергии, которые могут составить серьезную конкуренцию современным двигателям, другим силовым установкам, работающим на углеводородном или биологическом топливе, экологически чистый. Современные технологии позволяют изготовить любые детали указанного двигателя.

Основу двигателя на кинетической энергии составляет тело вращения цилиндрической формы, в данном случае кинетическое кольцо небольшой массы и габаритов, с высоким моментом инерции, которое может накапливать большой заряд кинетической энергии и передавать часть этой энергии в виде работы на трансмиссию автомобиля, другого транспортного средства. Кинетическая энергия кинетического кольца обладает рядом важнейших свойств: при ее угасании или торможении производит работу, что позволяет осуществлять отбор части этой энергии путем рекуперации для привода машин и механизмов; механическая энергия приводного двигателя, передаваемая кинетическому кольцу при его первоначальном раскручивании до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, и последующих дораскручиваниях, изменяет величину потенциала массы кинетического кольца при возрастании угловой скорости его вращения, если скорость увеличивается, то потенциальная энергия кинетического кольца (его инертность) уменьшается, в то же время, возрастает «напряженность» массы кинетического кольца, которая возрастает пропорционально этой «напряженности» и создает заряд кинетической энергии (аналогично автомобилю - чем больше скорость, тем меньше требуется мощности двигателя на движение автомобиля). В результате сумма потенциальной и кинетической энергий остается постоянной, что соответствует требованиям Закона сохранения энергии. Следовательно, масса (момент инерции) является определяющим элементом в кинетическом аккумуляторе. Предлагаемый двигатель с кинетическим аккумулятором преобразует механическую энергию приводного двигателя в заряд кинетической энергии кинетического кольца, осуществляет отбор путем рекуперации части этой энергии, которая производит работу по приведению в действие машин и механизмов, электрогенераторов и др.

Устройство двигателя на кинетической энергии (фиг.1) состоит из основания 1, кинетического кольца 2, опорного вала 3, двухступенчатого редуктора 4, вала 5 привода, муфты 6 разгонной, компенсатора 7 мощности, понижающего редуктора 8, приводного двигателя 9, кожуха 11. Основание 1 представляет собой стальную сварную конструкцию, на которой установлен опорный вал 3, консоль 12. Кинетическое кольцо 2 установлено на опорном валу 3, на двух подшипниках 13, с торца закреплена малая цилиндрическая шестерня 14 редуктора 4. Опорный вал 3 установлен на двух радиальных подшипниках 15 и одном упорном подшипнике 16, в гнездах 17 основания 1. Редуктор 4 привода состоит из пары цилиндрических шестерен 14 и 18 и пары конических шестерен 19 и 20, большая цилиндрическая шестерня 18 установлена на консоли 12, на подшипнике 21 и жестко соединена с малой конической шестерней 19, большая коническая шестерня 20 установлена и закреплена на валу 5 привода. Вал 5 привода установлен на подшипниках 22 в гнездах 23 основания 1. Муфта 6 разгонная соединяет вал 5 привода с приводным двигателем 9. Компенсатор 7 мощности установлен на валу 5 привода, соединен с понижающим редуктором 8 и выполняет частично функции вариатора. Приводной двигатель 9 установлен на раме 24 транспортного средства и производит первоначальное раскручивание через приводной редуктор 4, кинетическое кольцо 2 и дальнейшее его дораскручивание в процессе работы системы через определенные промежутки времени. Трансмиссия 10 транспортного средства. Кожух 11.

Работа двигателя с кинетическим аккумулятором (фиг.1). В исходном положении кинетическое кольцо 2 находится в состоянии покоя, то есть не вращается. При включении приводного двигателя 9 муфта 6 соединяется с валом привода 5 и через шестерни редуктора 4 раскручивает кинетическое кольцо 2 до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, последнее аккумулирует максимальный заряд кинетической энергии, и приводной двигатель 9 отключается. С этого момента кинетическое кольцо 2 вращается свободно от приводного двигателя и передает часть заряда кинетической энергии через редуктор 4 на вал 5 привода. Энергия производит работу, вращает вал 5 и через компенсатор 7 мощности передает усилие энергии на трансмиссию 10 транспортного средства. Через определенное время часть заряда кинетической энергии расходуется, и угловая скорость вращения кинетического кольца 2 снижается. Достигнув нижнего предела угловой скорости вращения, автоматически включается приводной двигатель 9, который дораскручивает кинетическое кольцо 2 до верхнего предела угловой скорости его вращения, кинетическое кольцо накапливает максимальный заряд кинетической энергии и приводной двигатель отключается. Далее процесс повторяется. Двигатель с кинетическим аккумулятором может быть выполнен (фиг.2) с одноступенчатым редуктором, состоящим из двух конических шестерен 25 и 26, шестерня 25 жестко соединена с кинетическим кольцом 2, муфта 6 разгона установлена на валу коробки передач 29, шестерня 26 установлена на валу 5 привода с муфтой 30, на конце вала 5 установлен компенсатор 7 мощности с механизмом заднего хода 31 и соединены с трансмиссией 10 транспортного средства. Расчетное время движения автомобиля на одном заряде энергии может составлять более двух часов, величина заряда зависит от момента инерции данного кинетического кольца 2 и скорости его вращения. На дораскручивание кинетического кольца 2 затрачивается несколько десятков секунд, и транспортное средство останавливать для этих целей не обязательно. Двигатель с кинетическим аккумулятором прост по конструкции, экологически чистый, устанавливается, предпочтительно, под кузовом, на рамы многих грузовых автомобилей и не требует конструктивных изменений рам и агрегатов, с которыми будут сочленены их механизмы и агрегаты.

Двигатель с кинетическим аккумулятором технологичен в изготовлении, может быть различной мощности и широкого применения. Расход топлива приводного двигателя по расчету составляет около 2 л в день для автомобиля типа ЗИЛ с штатным двигателем внутреннего сгорания. Кинематическая схема двигателя с кинетическим аккумулятором может быть подключена параллельно к штатной кинематической схеме трансмиссии автомобиля (фиг.2).

1. Двигатель с кинетическим аккумулятором, состоящий из привода, сочлененного с маховым агрегатом, отличающийся тем, что двигатель состоит из основания сварной конструкции, вращающегося кольца, приводного редуктора, соединительной муфты, вала привода, понижающего редуктора, приборов контроля, на основании закреплена опорная ось вращающегося кольца и опора промежуточной шестерни приводного редуктора, вращающееся кольцо установлено на опорной оси на радиально-упорных и на опорном подшипнике, размещенных в основании, с торца вращающегося кольца закреплена малая цилиндрическая шестерня приводного редуктора, приводной редуктор двухступенчатый, с парой цилиндрических и парой конических шестерен, малая цилиндрическая шестерня находится в зацеплении с промежуточной цилиндрической шестерней, установленной на подшипнике консоли основания и жестко соединена с малой конической шестерней, большая коническая шестерня приводного редуктора установлена на валу привода и находится в зацеплении с малой конической шестерней, вал привода установлен на подшипниках в гнездах основания, на одном конце вала привода установлена муфта разгонная, на другом конце вала привода установлен понижающий редуктор, при включении приводного двигателя, последний через разгонную муфту и двухступенчатый редуктор, первоначально раскручивает вращающееся кольцо до установленного верхнего предела угловой скорости вращения, накапливает кинетическую энергию, и приводной двигатель отключается, отбор мощности от вращающегося кольца производится путем рекуперации, передается на трансмиссию транспортного средства, при снижении угловой скорости вращения вращающегося кольца до установленного нижнего предела включается приводной двигатель, который дораскручивает вращающееся кольцо до верхнего предела угловой скорости вращения и отключается, далее процесс повторяется.

2. Двигатель с кинетическим аккумулятором по п.1, отличающийся тем, что он имеет механизм заднего хода, муфта разгона установлена на коробке передач, а кинематическая схема подключена параллельно штатной кинематической схеме трансмиссии автомобиля.