ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1996 года по МПК F02B75/32 F01B9/02 

Изобретение относится к поршневым машинам и может быть использовано при проектировании и изготовлении ДВС, пневмо- и гидродвигателей, компрессоров и насосов.

Известна поршневая машина, содержащая корпус с цилиндром, вращающиеся кривошипные опоры с эксцентричными отверстиями и выемками, коленчатый вал с коренными и эксцентриковой шейками и щеками, неподвижные зубчатые колеса внутреннего зацепления, жестко связанные с корпусом, шестерни, установленные на концах коренных шеек и выполненные с возможностью взаимодействия с зубчатыми колесами внутреннего зацепления, поршень с кольцевыми канавками и поршневыми кольцами, размещенный в цилиндре с образование двух камер переменного объема и установленный на эксцентриковой шейке, выходной вал, жестко связанный с одной из кривошипных опор, и крышки цилиндров, причем коренные шейки размещены в эксцентричных отверстиях кривошипных опор с возможностью вращения.

Однако данная поршневая машина имеет значительные габариты из-за того, что цилиндры (их гильзы) размещены с обеих сторон кривошипных опор-дисков или за обоими крайними положениями (ВМТ, НМТ) эксцентриковых шеек коленвала, и машина обладает относительно небольшой удельной мощностью из-за невозможности создания балансировки коленчато-поршневой группы, в результате чего скорость вращения вала тоже относительно небольшая (не выше 3000 об/мин).

Цель изобретения повышение компактности и удельной мощности машины.

Указанная цель достигается тем, что поршневая машина, содержащая корпус с цилиндром, вращающиеся кривошипные опоры с эксцентричными отверстиями и выемками, коленчатый вал с коренными и эксцентриковой шейками и щеками, неподвижные зубчатые колеса внутреннего зацепления, жестко связанные с корпусом, шестерни, установленные на концах коренных шеек и выполненные с возможностью взаимодействия с зубчатыми колесами внутреннего зацепления, поршень с кольцевыми канавками и поршневыми кольцами, размещенный в цилиндре с образованием двух камер переменного объема и установленный на эксцентриковой шейке выходной вал, жестко связанный с одной из кривошипных опор, и крышки цилиндров, причем коренные шейки размещены в эксцентричных отверстиях кривошипных опор с возможностью вращения, и в поршневой машине сечение поршня выполнено прямоугольным или в виде фигуры, ограниченной двумя параллельными прямыми, сопряженными двумя дугами окружности, цилиндр выполнен в виде гильзы с двумя отверстиями, кривошипные опоры выполнены в виде дисков, установленных в отверстиях гильзы, щеки коленчатого вала выполнены в виде шайб и размещены в эксцентричных отверстиях, причем торцевые поверхности дисков и шайб выполнены заподлицо с внутренней поверхностью гильзы, а между отверстиями гильзы и дисками и между эксцентриковыми отверстиями и шайбами установлены уплотнительные элементы.

Благодаря тому, что торцы кривошипных опор-дисков служат поверхностью цилиндра, получается максимально компактная машина (с получением двух рабочих камер), в которой в сравнении с прототипом можно достигать значительной скорости вращения вала, практически по-лучается двухкамерная роторно-поршневая машина с эффективным поршнем (к примеру, в сравнении с ДВС Ванкеля).

На фиг. 1 показана предлагаемая машина, разрез; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1 (при повернутом вале на 90^о относительно положения, показанного на фиг. 1); на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 показан поршень в сечении В-В на фиг. 1; на фиг. 5 сечение Г-Г на фиг. 4; на фиг. 6 сечение Д-Д на фиг. 4; на фиг. 7 показано поршневое кольцо; на фиг. 8 сечение Е-Е на фиг. 1; на фиг. 9 показан второй подвариант выполнения поршневой группы.

Поршневая машина содержит корпус 1, в который запрессована гильза 2. В гильзе 2 установлен поршень, выполненный составным и пустотелым и состоящий из верхней части 3 и нижней части 4. Поршень в сечении выполнен в виде фигуры, ограниченной двумя параллельными прямыми, ограниченными двумя дугами окружностей (показанной на фиг. 2). Поршень (гильза) может быть выполнен прямоугольного сечения. Гильза 2 (корпус 1) закрыта крышками 5. Поршень (его половинки 3, 4 стянуты друг к другу болтами) своим поперечным центральным отверстием через вкладыши 6 установлен на эксцентриковой шейке 7. Шейка 7 с обеих сторон заканчивается шайбами 8, центр которых смещен относительно центра шейки 7 на R=S/4, где S ход поршня. Шейка 7, поршень (3, 4), вкладыш 6 уравновешены специальным сечением шайб 8, показанным на фиг. 1, 8. Шайбы 8 заканчиваются хвостовиками, на которых выполнены шестерни 9. Шейка 7, шайбы 8 и хвостовики образуют коленвал. Для уплотнения шайбы 8 оснащены уплотнительными кольцами 10. Шайбы 8 установлены с возможностью вращения в отверстиях, выполненных в кривошипных опорах-дисках 11. Возможна установка шайб 8 в этих отверстиях и на игольчатых подшипниках, что на чертежах не показано, так как это несущественно и осуществимо конструктивно легко. Смещение центров дисков 11 относительно центров шайб 8 тоже несущественно (R=S/4). Два диска 11 установлены через игольчатые (роликовые) подшипники 12 в наружных подшипниковых обоймах, жестко закрепленных в корпусе 1. Диски 11 расположены в отверстиях, выполненных в гильзе 2, по скользящей посадке, причем торцы дисков 11, шайб 8 расположены заподлицо с внутренними стенками гильзы 2. Для уплотнения дисков 11 они оснащены уплотнительными кольцами 14. Вместо колец 14 может быть выполнено лабиринтовое уплотнение. Диски 11 заканчиваются хвостовиками 15, в средней части которых выполнено сечение, показанное на фиг. 3, причем металла из хвостовиков 15 удалено столько, сколько необходимо для уравновешивания поршня, шейки 7, вкладышей 6, шестерен 9, т. е. необходимо провести динамическую балансировку вращающихся-двигающихся частей. Хвостовики 15 установлены через подшипники 16 в крышках 17, которые жестко закреплены на корпусе 1. Один из хвостовиков 15 заканчивается выходным валом 18 отбора мощности. Хвостовики 15 расположены внутри колес 19 внутреннего зацепления, которые жестко закреплены в корпусе 1 и с которыми находятся в зацеплении шестерни 9 с i= Z₉/Z₁₉=1/2.

Возможен подвариант выполнения машины, когда поршень и шейка 7 уравновешиваются специальными противовесами, которые закреплены (или выполнены за одно целое) за (или до них) шестернями 9. Это на чертежах не показано, так как конструктивно легко осуществимо. На фиг. 4-6 показан сборный поршень, выполненный в облегченном варианте. 20 отверстия под винты, 21 отверстия для шплинтов фиксаторов. На фиг. 7 показано поршневое уплотнительное кольцо 22, которыми оснащен поршень. Эти кольца вставлены в кольцевые канавки, выполненные в поршне, причем в каждой канавке может быть установлено 2-3 тонких кольца, развернутых относительно друг друга (r₁>r). Или каждое тонкое кольцо выполнено из двух полуколец (разрез И) и несколько их вперемежку короткими и длинными концами установлены в каждой канавке.

На фиг. 9 показан второй подвариант выполнения эксцентриковой шейки 7 и шайб 8. В этом случае диски 11 могут выполняться меньшего диаметра, чем на фиг. 1, а поршни в сечении будут иметь менее вытянутую форму, но будут более высокими. Возможно выполнение вместо шейки 7 на валике (8) эксцентриковой шайбы с R=S/4, расположенной с возможностью вращения в отверстии, выполненном в поршне (установленной на подшипнике скольжения или качения).

Поршневая машина, к примеру, в качестве ДВС работает следующим образом. Подача топлива, отвод отработанных газов не показывается, так как это не существенно и осуществимо известными способами, но только отмечается следующее. Ввиду такого сечения цилиндра (поршня) появляется хорошая возможность установки нескольких (двух) клапанов как для выпуска, так и для впуска, рациональнее каждую из двух камер оснастить двумя свечами зажигания, горение топлива в таких камерах будет происходить как и в круглых камерах (с диаметром, равным 2), т.е. при одной и той же скорости вращения вала и мощности ДВС топливо в такой продолговатой камере будет сгорать полнее.

Поясняется работа механической части. Предположим, что в верхней (по фиг. 1) камере производится работа газов (а вал уже вращался), которые давят на поршень вниз, и он будет поварачивать шайбы 8, а значит, и шестерни 9. Шестеpни 9 катятся в колесах 19, вращая диски 11, хвостовики 15, вал 18. При этом шайбы 8 и диски 11 вращаются в противоположном друг другу направлении. При достижении поршнем нижней точки (до нижней крышки 5) шестерни 9 обкатятся в один свой оборот в колесах 19, находясь в зацеплении c половиной зубьев колес 19. Диски 11 (вал 18) совершают половину оборота, и так далее: поршень совершает возвратно-поступательное движение, шайбы 8 вращаются в отверстиях дисков 11, а диски 11 вращаются в подшипниках. В этом ДВС в отличие от ДВС Ванкеля газы при своей работе давят на поршень только для совершения полезной работы, уплотнения несравненно надежнее, конфигурация цилиндра намного проще, а в сравнении с прототипом машина намного компактнее все это и составляет технико-экономический эффект.

Пример выполнения машины.

К примеру, необходимо выполнить четырехтактный ДВС мощностью 120 л.с.

Решение: воспользовавшись возможностью хорошей балансировки, заложенной в конструктивном исполнении машины, принимаем, что n=7200 об/мин. Размеры поршня принимаем увеличенными в два раза по фиг. 2. Его площадь будет равна 1 дм³. Ход поршня S=100 м, значит V_n=1 дм³.

Ne 128 л.с.

Размеры ДВС будут: длина не более 350 мм, высота не более 300 мм, ширина не более 250 мм.

Использование: поршневые машины, в частности двигатели внутреннего сгорания, пневмо- и гидродвигатели и насосы. Сущность изобретения: поршневая машина оснащена цилиндром прямоугольного сечения или в виде фигуры, ограниченной двумя параллельными прямыми, сопряженными двумя дугами окружностей. В гильзе 2 цилиндра установлен поршень. Поршень оснащен поршневыми кольцами и в своей средней части через отверстие установлен на эксцентриковой шейке 7. Шайбы 8, на которых выполнена шейка, заканчиваются хвостовиками-шестернями 9. Шайбы установлены с возможностью вращения в отверстиях, выполненных в дисках 11. Шестерни 11 находятся в зацеплении со стационарными колесами 19 внутреннего зацепления. Один хвостовик заканчивается валом отбора мощности. Хвостовики имеют выборку металла, уравновешивающую коленчатый вал, шестерни и поршень. Торцы дисков 11 и шайб 8 выполнены заподлицо с внутренней поверхностью гильзы 2. 7 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. ПОРШНЕВАЯ МАШИНА, содержащая корпус с цилиндром, вращающиеся кривошипные опоры с эксцентричными отверстиями, выемками и хвостовиками, коленчатый вал с коренными и эксцентриковой шейками и щеками, неподвижные зубчатые колеса внутреннего зацепления, жестко связанные с корпусом, шестерни, установленные на концах коренных шеек и выполненные с возможностью взаимодействия с зубчатыми колесами внутреннего зацепления, поршень с кольцевыми канавками и поршневыми кольцами, размещенный в цилиндре с образованием двух камер переменного объема и установленный на эксцентриковой шейке, выходной вал, жестко связанный с хвостовиком одной из кривошипных опор, и крышки цилиндров, причем коренные шейки размещены в эксцентричных отверстиях кривошипных опор с возможностью вращения, отличающаяся тем, что сечение поршня выполненно прямоугольным или в виде фигуры, ограниченной двумя параллельными прямыми, сопряженными двумя дугами окружности, цилиндр выполнен в виде гильзы с двумя отверстиями, кривошипные опоры - в виде дисков, установленных в отверстиях гильзы, щеки коленчатого вала - в виде шайб и размещены в эксцентричных отверстиях, причем торцевые поверхности дисков и шайб выполнены заподлицо с внутренней поверхностью гильзы, а между отверстиями гильзы и дисками и между эксцентричными отверстиями и шайбами установлены уплотнительные элементы. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что поршень выполнен составным и пустотелым. 3. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что на шайбах выполнены выемки со стороны эксцентриковой шейки. 4. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что эксцентриковая шейка выполнена изогнутой. 5. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что уплотнительные элементы выполнены в виде уплотнительных колец. 6. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что уплотнительные элементы выполнены в виде лабиринтного уплотнения. 7. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что поршневые кольца выполнены составными по форме сечения поршня. 8. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что выемки выполнены на дисках и хвостовиках.