ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК F01B9/02 F02F3/00 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть применено в различных поршневых машинах.

Известна поршневая машина, содержащая блок с цилиндром, эксцентриковый коленчатый вал, установленный в блоке с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оси цилиндра, поршень, размещенный в цилиндре с возможностью возвратно-поступательного перемещения, и шатун, один конец которого связан при помощи резьбового соединения с поршнем, а другой - с коленчатым валом, поршень выполнен в виде усеченной с противоположных сторон сферы с плоским сплошным днищем, его наружная поверхность сопряжена с цилиндром и выполнена с максимальным диаметром, равным диаметру цилиндра [1].

Недостатком этого технического решения является сравнительно быстрый износ поверхности поршня, и, как следствие, прорыв газа в картер. Кроме того, наличие сферической поверхности поршня делает проблематичным возможность применения уплотнительных колец, так как они должны быть установлены в плоскости, перпендикулярной оси поршня, а при движении поршня в цилиндре эта плоскость в больших пределах отклоняется относительно оси цилиндра.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является поршневая машина, содержащая корпус с по меньшей мере двумя цилиндрами, сообщенными между собой, встречно движущиеся поршни, коленчатый вал c эксцентриковой шейкой, по меньшей мере два треугольных элемента, первые вершины которых кинематически связаны с эксцентриковой шейкой коленчатого вала, вторые вершины посредством штоков соединены с поршнями, а третья вершина одного из треугольных элементов кинематически связана с механизмом изменения рабочего объема цилиндров, причем треугольные элементы размещены по разные стороны от эксцентриковой шейки [2].

Недостатком этого технического решения является сложная для конструктивно-композиционного решения двигателя, приводящая к увеличению потерь на трение и износу боковых поверхностей цилиндров, кинематика. Особенно усложнены конструкции шатунного узла и коленчатого вала из условий симметрий усилий при размещении поршней в общем удлиненном цилиндре. Этот двигатель не может работать в цикле В. Кушуля при использовании легких топлив (бензин, газ и др.).

Кроме того, цилиндрическая форма поршней и кинематика их движения не обеспечивают надежной работы поршневой машины в условиях применения некачественного масла. В случае использования некачественного масла или несвоевременной смены его происходит прилегание или пригорание колец. От средней части прилегание распространяется к концам кольца, и оно перестает выполнять функцию уплотнителя. В результате необходимо выполнить преждевременный ремонт, что снижает надежность поршневой машины.

Целью изобретения является разработка новой конструкции поршневой машины, обеспечивающей надежную работу средств машиностроения.

Для достижения цели поршневая машина содержит корпус с по меньшей мере двумя цилиндрами, сообщенными между собой, поршни, снабженные маслосъемными и уплотнительными кольцами и установленные с возможностью встречного движения в цилиндрах, коленчатый вал с эксцентриковой шейкой, по меньшей мере два треугольных элемента, первые вершины которых кинематически связаны с эксцентриковой шейкой коленчатого вала, вторые вершины посредством штоков связаны с поршнями, а третья вершина одного из треугольных элементов кинематически связана с механизмом изменения рабочего объема цилиндров, причем треугольные элементы размещены по разные стороны от эксцентриковой шейки, при этом машина снабжена первым и вторым рычагами, плечи которых шарнирно соединены с третьими вершинами треугольных элементов, штоки поршней шарнирно связаны с вторыми вершинами треугольных элементов, а первые вершины треугольных элементов шарнирно соединены с эксцентриковой шейкой коленчатого вала, цилиндры расположены -образно, а штоки поршней выполнены разной длины, причем каждый поршень выполнен в виде двух усеченных конусов, сопряженных большими основаниями, расположенными между уплотнительными и маслосъемными кольцами, участком шаровой поверхности, диаметр которой равен диаметру цилиндра, при этом поршни соединены со штоками жестко, а угол конусности каждого поршня определен неравенством
α_к≥ arctg , где А - амплитуда колебания точки крепления штока с второй вершиной треугольного элемента;
L - длина короткого штока.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что заявленная поршневая машина отличается от известной тем, что она снабжена первым и вторым рычагами, плечи которых шарнирно соединены с третьими вершинами треугольных элементов. Шарнирно соединены также штоки поршней с вторыми плечами треугольных элементов, а первые вершины треугольных элементов - с эксцентриковой шейкой коленчатого вала. При этом цилиндры расположены -образно.

Новыми отличительными признаками поршневой машины также является выполнение каждого из поршней в виде двух усеченных конусов, наружная поверхность которых в области расширенных оснований сопряжена с цилиндром шаровыми переходами, диаметр которых равен диаметру цилиндра, расположенными между уплотнительными и маслосъемными кольцами, причем поршни соединены со штоками жестко, а угол конусности поршней выполнен в соответствии с соотношением
α_к≥ arctg , где А - амплитуда колебания точки крепления штока с треугольными элементами;
L - длина короткого штока.

Замена кривошипно-шатунного механизма двумя механизмами с треугольными элементами неизвестна и позволяет устранить значительную часть потерь, сделав двигатель более экономичным, а, придавая профилю юбки поршня конусообразную форму и жестко соединяя толкатель с поршнем при работе двигателя, обеспечить принудительное радиальное перемещение кольца в канавке, так как колебание нижней точки крепления штока приводит к качанию поршня относительно оси цилиндра. В итоге устраняется опасность пригорания уплотнительных колец при применении масла невысокого качества, что повышает надежность работы устройства.

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

Сущность заявляемого изобретения не следует явным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе, может быть многократно использована в поршневых машинах, обуславливающих принудительное радиальное перемещение уплотнительных колец в процессе работы двигателя и, тем самым, устранение опасности залегания их в канавке поршня, что позволяет уменьшить требования к качеству масла, и тем самым увеличить срок службы поршневой машины и сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 показана кинематическая схема поршневой машины; на фиг.2 - поршень с уплотнительными кольцами и со штоком в разрезе.

Поршневая машина содержит корпус 1 по меньшей мере с двумя цилиндрами 2, 3, сообщенными между собой, встречно движущиеся поршни 4, 5, установленные в цилиндрах 2, 3, коленчатый вал 6 с эксцентриковой шейкой 7, по меньшей мере два треугольных элемента 8, 9, первые вершины которых кинематически связаны с эксцентриковой шейкой 7 коленчатого вала 6, вторые вершины кинематически связаны с поршнями 4, 5, а третья вершина одного из треугольных элементов 9 кинематически связана с механизмом 10 изменения рабочего объема цилиндров 2, 3. Треугольные элементы 8 и 9 расположены по разные стороны эксцентриковой шейки 7. Поршневая машина снабжена первым 11 и вторым 12 рычагами, плечи которых шарнирно соединены с третьими вершинами треугольных элементов 8 и 9 и корпусом 1, а их первые вершины шарнирно соединены с эксцентриковой шейкой 7 коленчатого вала 6, цилиндры 2 и 3 расположены -образно, а штоки 13, 14 поршней 4 и 5 соответственно выполнены разной длины.

Механизм изменения рабочего объема выполнен в виде оси качания 10 одного из рычагов, установленной с возможностью перемещения. Поршни 4 и 5 снабжены уплотнительными кольцами 15 и 16 (компрессионные кольца) и маслосъемными кольцами 17 и выполнены в виде двух конусов, сопряженных с цилиндром шаровыми переходами 18, расположенными между компрессионными кольцами. Цилиндры 2 и 3 расположены -образно, а штоки 14 и 13 выполнены разной длины. В общем виде работа поршневой машины может быть представлена описанием работы двигателя внутреннего сгорания.

При вращении коленчатого вала 6 вправо поршень 5 цилиндра 3 опережает поршень 4 цилиндра 2 в зависимости от угла развала между цилиндрами. В цилиндр 3 всасывается нормальная бензовоздушная смесь, в цилиндр 2 - обедненная смесь (настолько, чтобы суммарный заряд сгорел полностью). В конце цикла сжатия (при всасывании и сжатии) смесь из одного цилиндра в другой не перетекает и в каждом цилиндре сжимается свой заряд. В цилиндре 3 сжата нормально обогащенная смесь, которая воспламеняется от электрической искры (на чертеже не показано). В то же время, когда поршень 5 в цилиндре 3 пошел вниз, поршень 4 в цилиндре 2 не достиг мертвой точки. При дальнейшем движении к мертвой точке он выдавливает обедненную смесь в камеру сгорания цилиндра 3, где уже начался процесс сгорания в области свечи. В результате выталкивания из цилиндра 2 обедненной смеси, энергичного перемешивания ее с нормальной смесью образуется некоторая суммарная смесь, которая содержит оптимальное количество кислорода, топлива и сгорает.

Благодаря использованию двух параллелограммов, соединенных между собой штангами-толкателями (штоками 13, и 14), совершают при работе двигателя приближенно-прямолинейные движения (это свойство механизмов Чебышева) и трение в цилиндропоршневой паре значительно уменьшается. Изменение же положения шарнирного соединения плеча первого рычага 11 приводит к изменению хода поршня 5 и, соответственно, к изменению степени сжатия двигателя. Такое перемещение легко может быть реализовано посредством эксцентриков гидравлических толкателей или червячной передачи, так как основное усилие от поршней воспринимается коленчатым валом.

При вращении коленчатого вала 6 точки крепления штоков 13 и 14 с треугольными элементами 8 и 9 совершают колебательное движение в плоскости, перпендикулярной оси цилиндров 2 и 3. В результате штоки 13 и 14 отклоняются от прямолинейного движения, поворачивая поршни относительно цилиндров. Это приводит к появлению бокового давления на уплотнительные кольца 15-17 и радиальному принудительному перемещению их в канавках, что, в свою очередь, устраняет опасность прогорания кольца в канавке при использовании некачественного масла. Чем хуже качество масла, тем лучше работает двигатель по сравнению с другими типами двигателей, к которым предъявляются жесткие требования к качеству масла. Угол конусности поршней определяется амплитудой принудительного качания кольца, которая в свою очередь зависит от требований, предъявляемых к качеству масла и конструктивным параметрам элементов кинематики (длина штока, амплитуды колебания, точки крепления его). Для каждой длины штока будет свой угол конусности, но, с точки зрения технологии изготовления, желательно иметь детали поршневой машины одинаковыми, поэтому угол выбирается для короткого штока. Размещение общего основания сопряженных конусов между компрессионными и маслосъемными кольцами обеспечивает увеличение амплитуды принудитель- ного колебания колец в канавке.

Расстояние между общим основанием и компрессионными кольцами больше, чем расстояние между основанием и маслосъемными кольцами, что обеспечивает большую амплитуду радиальных колебаний компрессионного кольца и устраняет опасность его пригорания, которое всегда больше, чем у маслосъемных колец.

Предлагаемая конструкция в зависимости от циркуляции мощности в системе может быть реализована в поршневых компрессорах и гидравлических насосах или двигателях пневматических, гидравлических и внутреннего сгорания. Все определяется видом клапанов и их управлением, которые могут быть традиционными для каждого из видов поршневых машин.

Использование: в машиностроении, а именно при проектировании двигателей. Сущность изобретения: поршневая машина содержит корпус с по меньшей мере двумя цилиндрами, встречно движущиеся поршни, установленные в цилиндрах, коленчатый вал, по меньшей мере два треугольных элемента, вершины которых соединены через штоки с поршнями и коленчатым валом. Поршни снабжены уплотнительными кольцами и маслосъемными кольцами и выполнены в виде двух конусов, сопряженных большими основаниями с шаровым переходным участком, расположенным между уплотнительными и маслосъемными кольцами. Цилиндры расположены Л - образно, а штоки выполнены разной длины и соединены с поршнями жестко. Угол конусности поршней выполнен в соответствии с соотношением, приведенным в описании. 2 ил.

ПОРШНЕВАЯ МАШИНА, содержащая корпус с по меньшей мере двумя цилиндрами, сообщенными между собой, поршни, снабженные уплотнительными и маслообъемными кольцами и установленные в цилиндрах с возможностью встречного движения, коленчатый вал с эксцентриковой шейкой, по меньшей мере два треугольных элемента, первые вершины которых кинематически связаны с эксцентриковой шейкой коленчатого вала, вторые вершины посредством штоков связаны с поршнями, а третья вершина одного из треугольных элементов кинематически связана с механизмом изменения рабочего объема цилиндров, причем треугольные элементы размещены по разные стороны от эксцентриковой шейки, отличающаяся тем, что машина снабжена первым и вторым рычагами, плечи которых шарнирно соединены с третьими вершинами треугольных элементов, штоки поршней шарнирно связаны с вторыми вершинами треугольных элементов, а первые вершины треугольных элементов шарнирно соединены с эксцентриковой шейкой коленчатого вала, цилиндры расположены Л-образно, а штоки поршней выполнены разной длины, причем каждый поршень выполнен в виде двух усеченных конусов, сопряженных большими основаниями, расположенными между уплотнительными и маслосъемными кольцами, участком шаровой поверхности, диаметр которой равен диаметру цилиндра, при этом поршни соединены с штоками жестко, а угол α_k конусности каждого поршня определен неравенством

где A - амплитуда колебания точки крепления штока с второй вершиной треугольного элемента;
L - длина короткого штока.