ТОРОВАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1996 года по МПК F01C1/00 F04C2/00 

Изобретение относится к поршневым машинам, предназначенным для работы в качестве тепловых двигателей и насосов.

Известна поршневая машина с возвратно-поступательным движением поршня, осуществляющимся с помощью кривошипно-шатунного механизма в неподвижном цилиндре и клапанным механизмом газораспределения (US N 3550563, F 02 B 53/00, 1970).

Недостатком в известной поршневой машине являются значительные инерционные нагрузки во всех звеньях кривошипно-шатунного механизма и вибрация.

Наиболее близким по технической сущности является торовая поршневая машина, содержащая тор с впускными и выпускными отверстиями, два соосных, опирающихся на подшипники, вала с консольными поршнями, разделяющими внутренний объем тора на изолированные друг от друга полости, эллиптическую зубчатую передачу, обеспечивающую согласованную связь валов друг с другом через цилиндрические зубчатые передачи, (см. SV а.с. N 1521914, F 01 C 1/00, 1989).

Недостатками известной поршневой машины являются: наличие сложных в изготовлении кривошипно-кинематических связей механизма преобразования движений поршней.

Техническая задача упрощение механизма преобразования движения поршней и увеличение мощности машины.

Технический результат достигается тем, что в торовой поршневой машине имеется неподвижный тор, внутри которого расположены поршни. Между стенками каждой пары смежных поршней и тора образуются полости изменяющегося объема, в которой происходят газовые процессы. Внутренний объем тора разделен поршнями на части, в каждой из которых происходит один из процессов. Количество полостей равно количеству поршней и не менее двух. Количество поршней равно или кратно количеству процессов машины. Поршни жестко закреплены на двух соосных валах, опирающихся на подшипники. Один из валов является выходным валом. Валы передают вращение через цилиндрические зубчатые передачи эллиптической передачи. Передаточное отношение цилиндрических передач равно половине количества процессов (тактов) машины. Эллиптическая передача представляет собой две зубчатые шестерни эллипсной формы, входящие в зацепление друг с другом. Причем параметры эллипсов обеих шестерен одинаковы. Ось каждой шестерни проходит через один из фокусов эллипса перпендикулярно осям эллипса. Межосевое расстояние эллиптической передачи равно большому диаметру эллипса по средней линии зуба. Форма зубьев эвольвента к окружности диаметра, равного расстоянию от фокуса эллипса до корня зуба. Вершины зубьев расположены на равных расстояниях, отсчитываемых по дуге эллипса. Число зубьев нечетное. От эксцентриситета эллипса зависит интервал изменения передаточного отношения эллиптической передачи (от и до , где e - эксцентриситет эллипса), а вместе с ним и степень изменения объемов полостей. Положения поршней однозначно зависят от угла поворота выходного вала. В стенках тора имеются отверстия для впуска и выпуска газов. Размеры впускных и выпускных отверстий таковы, что один поршень может полностью перекрыть одно отверстие.

На фиг. 1 изображена четырехтактная торовая поршневая машина с четырьмя поршнями, предназначенная для работы в качестве двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 разрез тора с поршнями. Пунктирными линиями показаны впускное и выпускное отверстия.

на фиг.3 вид в разрезе механизма связи поршней. На фиг.4 - эллиптическая передача.

Торовая поршневая машина содержит корпус 1, головку 2, крышку 3. Корпус 1, головка 2 и крышка 3 соединены болтами 4. В корпусе 1 и головке 2 установлены гильзы 5 и 6, образующие тор 7. В головке 2 имеется резьбовое отверстие 8 для свечи зажигания. В головке 2 и гильзе 6 имеются впускное 9 и выпускное 10 отверстия. В корпусе 1, головке 2 и крышке 3, соосно с торовыми гильзами, установлены подшипники 11, на которые опираются два вала 12 и 13. Вал 12 является выходным валом. Вал 13 представляет собой трубу. На валах 12 и 13 жестко закреплены втулки 14 и 15 с консольными поршнями 16, 17 и 18, 19 соответственно. На каждой втулке по два поршня, расположенные симметрично друг другу. На валах 12 и 13 жестко закреплены шестерни 20 и 21 соответственно. В корпусе 1 и крышке 3 установлены подшипники качения 22, на которые опираются валы 23, 24, 25. На валу 23 жестко закреплены шестерни 26 и 27. На валу 24 жестко закреплены шестерни 28 и 29. На валу 25 жестко закреплена шестерня 30. Шестерни 20 и 30 образуют передачу, причем числом зубьев шестерни 20 в два раза больше числа зубьев шестерни 30. Такую же передачу образуют шестерни 21 и 27. Кроме того шестерня 30 образует с шестерней 29 передачу, причем обе шестерни имеют одинаковое число зубьев. Шестерни 26 и 28 имеют форму эллипса, одинаковое число зубьев и оси вращения проходят через один из фокусов эллипсов. Шестерни 26 и 28 образуют передачу с переменным передаточным отношением. Таким образом вал 12 связан с валом 13 кинематической цепью: вал 12, шестерня 20, шестерня 30, шестерня 29, вал 24, шестерня 28, шестерня 26, шестерня 27, шестерня 21, вал 13. Таким образом внутри тора между поршнями: 16 и 18 имеется полость 31; 16 и 19 полость 32; 17 и 19 полость 33; 17 и 18 полость 34. Объемы полостей 31 и 33 равны. Также равны объемы полостей 32 и 34.

Двигатель работает следующим образом.

Примем за начальное расположение поршней, как показано на фиг.2 и положение эллиптической передачи, как показано на фиг.3 и фиг.5. Для пуска двигателя необходимо провернуть вал 12 не менее чем на половину оборота. За время поворота вала 12 на угол равный половине угла поворота a (альфа) шестерни 28, шестерня 26 повернутся на угол 360 градусов минус a и вал 13 повернется на угол равный половине угла поворота шестерни 26. Угол a это острый угол между лучами проходящими через фокус и вершины, находящиеся на малой оси эллипса. При этом поршень 18 займет первоначальное положение поршня 17, поршень 17 займет первоначальное положение поршня 19, поршень 19 займет первоначальное положение поршня 16 и поршень 19 займет первоначальное положение поршня 18. За это время произойдут выпуск из полости 32, впуск первой порции горючей смеси в полость 31, сжатие воздуха в полости 34, расширение воздуха в полости 33. При продолжении вращения вала 12 на угол поворота равный половине угла поворота 360 градусов минус a шестерни 28 шестерня 26 повернется на угол равный a и вал 13 повернется на угол равный половине a При этом поршень 16 займет первоначальное положение поршня 17, а поршень 18 займет первоначальное положение поршня 19. За это время в полости 31 произойдет сжатие горючей смеси, выпуск воздуха из полости 33, расширение воздуха в полости 34 и впуск горючей смеси в полость 32. Валы 12 и 13 от начала движения повернутся на половину оборота, а шестерни 26 и 28 эллиптической передачи сделают полный оборот. При дальнейшем вращении вала 12 в полости 31 происходит воспламенение горючей смеси с помощью электрической искры, давление в полости значительно возрастает. Поршни воспринимают давление газа и передают на валы 12 и 13 равные моменты но в противоположных направлениях. Эти моменты передаются по кинематической цепи на шестерни 26 и 28 эллиптической передачи также в противоположных направлениях, где эти моменты складываются. Результирующий момент сил снимается с вала 12 на нагрузку. Поскольку расстояние от точки зацепления до осей эллиптических шестерен равны лишь в двух точках эллипса, когда эти расстояния равны большой полуоси эллипса, то вращение будет осуществляться в направлении того момента, где это расстояния меньше. Оно остается таковым в течение всего такта. Также остаются неизменными направления моментов сил на валах.

В полости 31 происходит рабочий ход в течение времени поворота вала 12 на угол равный половине a, в полости 34 выпуск, в полости 32 сжатие и в полости 33 впуск. По окончании рабочего хода в полости 31 рабочий ход начинается в полости 32, затем в полости 33, затем в полости 34 и вновь в полости 31.

Все такты начинаются в момент прохождения точки зацепления эллиптической передачи через вершины, находящиеся на малой оси эллипса, одновременно изменяются и направления моментов сил на противоположные. Поэтому вращение происходит всегда только в одном направлении, указанном стрелкой.

Конструкция торовой поршневой машины, предназначенной для работы в качестве насоса, отличается от машины предназначенной для работы в качестве двигателя лишь количеством впускных и выпускных отверстий и отсутствием свечи зажигания. ЫЫЫ2

Использование: в поршневых машинах, предназначенных для работы в качестве тепловых двигателей и насосов. Сущность изобретения: в торцевой поршневой машине имеется неподвижный тор внутри которого установлены поршни, которые закреплены на двух соосных валах, связанных друг с другом с помощью зубчатых передач. Связь валов осуществляется посредством эллиптической передачи, обеспечивающей циклическое изменение передаточного отношения. Впуск и выпуск веществ осуществляется через впускные и выпускные отверстия, перекрываемые поршнями. 4 ил.

Торовая поршневая машина, содержащая корпус с крышками, имеющими окна для впуска и выпуска рабочей среды, два соосных вала, втулки с поршнями, установленные на соосных валах, образующие со стенками корпуса и крышек рабочие камеры, промежуточный вал, выполненный из нескольких кинематически связанных между собой элементов с шестернями, отличающаяся тем, что, промежуточный вал выполнен в виде по меньшей мере трех промежуточных валов с шестернями, две из которых имеют эллипсную форму и оси, проходящие через фокусы эллипсов.