ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК F04B25/00 

Изобретение относится к многоступенчатым компрессорам, представляет собой малогабаритное компактное устройство, могущее работать как в режиме насоса, так и в режиме пневмодвигателя. Конструкция предназначена для выполнения в составе колесных силовых узлов подготовительных тактов "впуск-сжатие" термопроцесса, характеризующегося внешним (полным) сгоранием топлива, где вопросы качества сводятся к главному уменьшению потерь путем управления компрессорными и силовыми функциями разделенного двигателя. Поршневая машина разработана с учетом требований времени, удорожания материалоресурсов и энергоносителей, ужесточения норм на выбросы продуктов сгорания, возросших эксплуатационных потребностей и экономических выигрышей, причем разработана для автомобилей нового поколения, в частности, для автомобиля с реакторным двигателем, где может быть совмещен с полуосями и через дорожное покрытие с полуосевыми роторными силовыми узлами, которые оформлены самостоятельными заявками.

Существующие конструкции нагнетательных устройств не преследуют цели выполнения этой функции термодинамики и, как правило, имеют для своих целевых работ кривошипно-шатунные схемы. Аналогами данной поршневой машине служит поршневая машина, содержащая корпус с цилиндром, поршень, установленный в цилиндре с образованием двух рабочих камер, уплотненных торцевыми крышками, приводной вал, установленный в подшипниковых узлах и кинематически связанный с поршнем [1]
Недостатком известной конструкции является повышенные потери в уплотнительных узлах и низкая степень сжатия.

В отличие от известных схема заявленная поршневая машина содержит двухсторонний цилиндрический поршень с полостью в виде малого цилиндра для вторичного сжатия плунжерным механизмом перепускного объема. Технической задачей изобретения является повышение качества уплотнения цилиндро-поршневой и плунжерных групп беззазорными компрессорными кольцами и повышение давления пневмозаряда.

На фиг. 1-6 изображена предлагаемая поршневая машина.

На фиг. 1 изображена поршневая машина в боковом многоплановом разрезе цилиндра и разрезе цилиндра и разрезе поршня по плоскости внутреннего канала с показом клапанных механизмов в режиме работы компрессора (обозначено стрелками), при этом рычаг переключения соответственно этому режиму обозначен пунктиром, т.е. обозначение этого же рычага сплошной линией соответствует режиму работы пневмодвигателя. На фиг. 2 в том же разрезе изображен цилиндр с показом размещения кривошипа и эксцентрика вала относительно поршня, выходящего из МТ, и положение при этом плунжерных механизмов клапанной системы. На фиг. 3 многоплановый разрез показан видом сверху в режиме поршневой машины, в частности клапанного и распределительного механизмов, как пневмодвигателя (обозначено стрелками). Для раскрытия устройства клапанного механизма правая по чертежу бобышка крышки цилиндра очерчена пунктиром. На фиг. 4 изображен вид поршневой машины, соединенного со стойкой кузова автомобиля, а на фиг. 5 показано размещение машин на полуосях с подсоединением трубопроводов.

Поршневая машина содержит горизонтальный цилиндр 1 внешней четырехгранной формы. В угловых местах которого выполнены отверстия под стяжные болты, и одновременное утолщение 2 по середине грани, совмещенное с долевым выступом 3, при этом утолщение выполнено со сквозным в цилиндр 1 окном, а долевой выступ 3 с сообщающимся с ним центровым отверстием. Помимо этого, цилиндр 1 выполнен в верхней части с поперечными щелями 4. Внутрь цилиндра 1 запрессована керамическая гильза 5, выполненная с наружными бортиками для уменьшения теплопотерь и совмещенными с упомянутыми аналогичными щелями 4 для впуска атмосферного и выпуска сжатого воздуха. Щели 4 расположены на расстоянии хода двустороннего поршня 6, около его торцевых стенок, сам же поршень 6 выполнен с кулисным пазом 7 и коническим, согласно наклонного колена кривошипа, углублением 8 со стороны боковых краев, а за пазом содержит долевой канал с запрессованным внутрь разделенным трубчатым цилиндром 9, выполненным с поперечной по середине прорезью, в которую запрессована перемычка 10, делящая объем на две части. У торцов этой перемычки 10 в стенках трубчатого цилиндра 9 выполнены отверстия 11, сообщенные с размещенными по его сторонам малыми глухими каналами 12 двойного диаметра, направленными большими диаметрами противоположно к торцевым стенкам с выходом из поршня 6 через резьбовые гнезда, соединенные по резьбе со стаканообразными клапанными седлами 13 самодействующих клапанов, углубленными в торцевые стенки поршня 6 заподлицо, при этом клапанные их головки 14 выполнены ромбовидными и размещены стержнями 15 в малых диаметрах упомянутых каналов, где между их внутренними торцевыми стенками и головками запасованы спиральные пружины 16. Снаружи в кольцевых канавках поршня 6 размещены беззазорные компрессионные и малосъемные кольца 17, прижатые непосредственно друг к другу. Поскольку крышки 18 цилиндра 1 имеют одинаковое строение, то в отдельности каждая выполнена с размещенным по середине внешним наклонным патрубком 19 заполнения-очищения рабочих камер, выходящим в рабочие камеры цилиндра 1 клапанным седлом 20 управляемого клапана. Вокруг патрубка 19 размещены: бобышка 21 с центровым отверстием для шарнирной установки плунжера 24 вторичного сжатия воздуха и соосная долевому выступу 3 цилиндра 1 бобышка 22 с резьбовым отверстием под клапанный штуцер, а также угловые отверстия для стяжных болтов 23, при этом плунжер 24 выполнен с внешним бортиком 25 и сквозным центровым каналом 26 и установлен в отверстии крышки 18 между бортиком 25 и наружной шайбой 27, прижатой дискообразной лучевой пружиной 28. С этого конца плунжер 24 имеет резьбу для гайки 29 и шлангового подсоединения, а с внутреннего конца нарезное отверстие большего диаметра, которым соединен по резьбе с клапанным наконечником 30, выполненным с внешней проточкой под малые компрессионные кольца 31 и внутренней полостью для хода шарикового выпускного клапана, закрывающего впускное отверстие. Плунжеры 24 установлены соосно в крышках 18 на промежуточном расстоянии, равном ходу поршня 6, и размещены в трубчатом цилиндре 9 с возможностью образования между ними и перемычкой 10 объемов, сообщающихся с глухими каналами со стороны их больших диаметров. Вал 32 на сгибе колена 33 несет распределительный эксцентрик 34 и установлен этой частью в сквозном окне утолщения 2 цилиндра 6 на подшипниках с входом кривошипной шейки 35 в отверстие подвижного в пазу 7 поршня 6 кольцеобразного элемента скольжения 36. По отношению к колену эксцентрик 34 вала 32 установлен под углом 120^o с возможностью контакте с плунжерными выпускными клапанами 37, размещенными в долевом выступе 3 цилиндра 1, с возможностью контактного взаимодействия концевых участков клапанов 37 с отверстиями штуцеров 38 пневмопитания в режиме работы поршневой машины на положении пневмодвигателя. Управляемые клапана впуска атмосферного и выпуска отработанного сжатого воздуха размещены в патрубках крышек 18, где каждая клапанная тарелка 39 шарнирно соединена с концом пластинчатой скобообразной тяги 40, которая другим концом установлена в щели стенки патрубка на оси 41. На соседней оси 42 установлена поворотная тяга 43 и внешний рычаг управления 44. Между шариковыми опорами, размещенными на упомянутых тягах 40 встречно, установлены возвратные пружины 45. Поперечные щели 4 цилиндра 1 (фиг. 1, 2) закрыты шумопоглощающей камерой 46, которая сообщена с глушителем через шланг 47, а нижняя часть цилиндра 1 сообщена через трубопровод 48 с маслоотсасывающим устройством (размещение маслоотсасывающего устройства в данном случае предусмотрено в кожухе на конце полуоси между поворотным узлом и крыльчаткой). В составе общей оси автомобиля с реакторным двигателем поршневые машины размещены под бензобаком и соединены шарнирно торцевыми осевыми выступами с коробчатой стойкой 49, имеющей поперечное ребро жесткости 50 и закрепленной на днище кузова, при этом патрубки цилиндров 1 (фиг. 5) соединены гибкими трубопроводами 51 с вентильным узлом смены фаз распределения (вентильный узел оформлен самостоятельной заявкой). Шарнирные крепления плунжеров 24 для возможности их соосной самоустановки в процессе работы по центру трубчатого цилиндра 9 поршня 6 за счет зазоров 52 в отверстиях крышек 18.

В положении компрессора поршневая машина работает следующим образом. Поскольку в этом режиме пневмодавление, подводимое к штуцерам 38 долевого выступа 3 цилиндра 1, автоматически перекрывается вентилем (на чертежах вентиль не показан) и клапаны 37 находятся в раздвинутом эксцентриком 34 состоянии, герметизирующим цилиндр 1 контактным входом концов и отверстия штуцеров (при монтаже концевые звенья клапанов вставляются в отверстия выступа с торцов цилиндра 1, а звенья с головками через окно утолщения 2), то при вращении вала 32 в рабочую камеру цилиндра 1 с каждой его стороны в результате разреженности будет всасываться воздух (фиг. 1) с моментом отжима клапанных тарелок 39 от седел 20, как это изображено на правой стороне чертежа (фиг. 1). Отжимаясь, каждая клапанная тарелка 39 поворачивает на оси 41 скобообразную тягу 40, которая сжимает пружину 45 между шариковыми опорами этой и поворотной тяги 43 (отмечено пунктиром). В подходе к МТ поршнем 6 открываются поперечные щели 4 цилиндра 1, в результате чего в рабочую камеру дополнительно всасывается воздух из шумопоглощающей коробки 46, связанной с атмосферой через глушитель. С проходом воздуха через щели и наполнением камеры разреженность его резко падает что дает возможность закрытия клапанной тарелкой 39 впускного отверстия патрубка 19 возвратным усилием пружины 45.

Одновременно, при упомянутом всасывании воздуха с правой стороны цилиндра 1 по фиг. 1, происходит заполнение правой камеры вторичного сжатия трубчатого цилиндра 9 поршня 6 сжимаемым с другой стороны воздухом, где сжатый воздух проходит через отжатую внутрь силой давления ромбовидную клапанную головку 14 стаканообразного седла 13 и далее через большой диаметр малого (глухого) канала 12 и сообщенное с ним боковое отверстие 11 в стенке трубчатого цилиндра 9 вмещается между перемычкой 10 и плунжером 24, а с другой стороны перемычки 10 воздух под большим давлением ходом плунжера 24 оказывается перемещенным через торцевое клапанное отверстие его наконечника 30 во внутреннюю полость и канал 26, связывающий плунжер 24 шлангом с заправочным баллоном. При возвратно-поступательных движениях поршня 6, создающих неизбежные осевые отклонения, постоянство соосности плунжеров 24 с трубчатым цилиндром 9 поршня 6 поддерживается радиальным их смещением в зазорах 52 посадочных отверстий, а герметичность при такой радиально-скользящей посадке достигается постоянным прижимом торцевых стенок бортиков 25 и шайб 27 по обе стороны отверстий усилиями лучевых пружин 28. Описанным способом происходит дальнейший процесс сжатия воздуха с правой по фиг. 1 стороны цилиндра 1. В начальный момент движения 6 от МТ поперечные щели 4 будут им перекрыты и при установленной в седло 20 клапанной тарелке 39 в конце сжатия (хода поршня 6 до касания крышки 18) сжатый воздух под большим давлением через отжатую внутрь ромбовидную головку 14 клапана переместится в левую камеру вторичного сжатия трубчатого цилиндра 9 между перемычкой 10 и плунжером 24. С этим же движением поршня 6, в результате разреженности, произойдет всасывание воздуха с противоположной его стороны с описанной выше работой клапанных и нагнетательных механизмов. Двухсторонняя с двойным сжатием воздуха работа поршневой машины, оснащенного керамическими гильзами 5 и торцевыми к ним стенками, будет отличаться на положении компрессора производительностью и исключительно малой потерей тепла.

На положении пневмодвигателя поршневая машина работает следующим образом. Перевод на этот режим происходит рычагом, поворачивающим одновременно вентиль прохода пневмопитания из баллона к штуцерам 38 и рычаги 44 управления положением клапанных тарелок 39, из которых каждый отжимает перестановкой поворотной тяги 43 с обратным давлением пружины 45 (фиг. 3) клапанную тарелку 39 в рабочую камеру цилиндра 1, сообщая камеру через патрубок и трубопровод 51 с глушителем. Поступающий сжатый воздух прижмет клапаны 37 к эксцентрику 34, где по причине направленного эксцентриситета (фиг. 2) и завершения по фиг. 3 с правой стороны цилиндра 1 рабочего хода поршня 6, сопровождающегося выпуском сжатого отработанного воздуха через поперечные щели 4, плунжерным впускным клапаном 37 будет перекрыта подача пневмодавления, а с противоположной стороны поршня 6 произойдет проникновение пневмодавления через открывающееся перемещаемым к валу 32 клапаном 37 впускное боковое отверстие в зазор зарождающегося между поршнем 6 и крышкой 18 цилиндра 1 объема с левой по чертежу стороны, с моментом прижима клапанной тарелки 39 к седлу 20 и силового перемещения поршня 6 на правую по фиг. 3 сторону. В этом перемещении при совпадении торцевой стенки поршня 6 на левой стороне цилиндра 1 с поперечными щелями 4 произойдет выпуск через них отработанного сжатого воздуха в шумопоглощающую камеру 46 и по причине резкого падения давления отжим клапанной тарелки 39 от седла 20 во внутрь рабочей камеры. В момент установки поршня 6 в МТ клапан 37 с переменной эксцентриситета эксцентрика 34 перекроет с этой стороны подачу пневмодавления и, наоборот, свободный от опорного эксцентриситета противоположный клапан 37 с правой стороны цилиндра 1 (со стороны полностью очищенной рабочей камеры) перейдет под напором пневмодавления на положении открытия впускного в цилиндр 1 бокового отверстия с проникновением пневмодавления в зазор между поршнем 6 и крышкой 18 цилиндра 1 и моментом силового прижима клапанной тарелки 39 к седлу 20. В этом режиме работы поршневой машины на положении пневмодвигателя камера вторичного сжатия трубчатого цилиндра 1 поршня 6 не функционируют из-за расчетного усилия пружин 16, препятствующего отжиму (открытию) ромбовидных клапанных головок 14. Поступающее из кожуха полуоси в цилиндр 1 через окно его бокового утолщения 2 масло осуществляет смазку "разбрызгиванием" цилиндро-поршневой группы и клапанного механизма с отсосом нижнего осадочного слоя через трубопровод 48 в полость кожуха, за крыльчатку.

Для принципиального раскрытия конструкции (простоты чтения) поперечные щели 4 цилиндра 1 по фиг. 1 и 2 показаны в разрезах стенок, однако в действительности, в связи с боковым на поршне пазом 7, щели смещены радиально в сторону свободной от паза сплошной поверхности поршня 6, как это видно по расположению шумопоглощающей камеры 46 на фиг. 4, для исключения их сообщения с маслоотсасывающим трубопроводом 48.

Поршневые машины разработаны с учетом совмещенной работы с тремя емкостями: малой тормозной камерой, рабочим и резервным баллонами, входящими в оборудование автомобиля с реакторным двигателем, оформленного в общем комплексном техническом решении кузовной частью.

Использование: в качестве накопительного средства и силового устройства для нового класса автомобилей, в частности, для автомобиля с реакторным двигателем, имеющего экономическо-экологические показатели на порядок выше за счет структурного термодинамического переустройства с возможностью раздельного управления компрессорными и силовыми функциями двигателя. Сущность изобретения: качественное улучшение термопроцесса со значительным сокращением обходных механических связей потребовало ввода в силовую схему самостоятельных поршневых машин с тактами "впуск-сжатие", которым отведено место на полуосях автомашины аналогично размещенным на полуосях ведущей оси силовым устройствам роторного типа с тактами "сгорание-выпуск", снабженными выведенной из цилиндров камерой сгорания - реактором. Двухконтурная работа поршневых машин при одновременном функционировании больших и малых объемов обеспечивает здесь большую производительность в режиме компрессоров и высокие тяговые качества в режиме работы на положении пневмодвигателей при предварительно накопленном торможением машины /движением под уклон/ или приводом через ведомое колесо пневмопотенциале - переключение на упомянутые режимы осуществлено простыми поворотом рычага или нажимом пусковой кнопки. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Поршневая машина, содержащая корпус с цилиндром, поршень, установленный в цилиндре с образованием двух рабочих камер, уплотненных торцевыми крышками, приводной вал, установленный в подшипниковых узлах и кинематически связанный с поршнем, отличающаяся тем, что она снабжена трубчатым цилиндром вторичного сжатия, установленным в поршне и разделенным перемычкой на две части, двумя плунжерами, закрепленными соосно на крышках и установленными свободными концами в цилиндре вторичного сжатия с образованием с перемычкой камер вторичного сжатия, управляемыми клапанами, установленными в крышках с возможностью сообщения рабочих камер с атмосферой, самодействующими впускными клапанами, установленными в каналах поршня, выполненных со стороны его торцов с возможностью сообщения рабочих камер с противолежащими камерами вторичного сжатия, нагнетательными клапанами, подключенными к камерам вторичного сжатия патрубками высокого давления, и выпускными клапанами, подключенными с одной стороны к рабочим камерам, а с другой к патрубку высокого давления, приводной вал выполнен с кривошипом и снабжен эксцентриком, на поверхности поршня выполнен кулисный паз, в котором размещен кривошип вала, при этом в стенках цилиндра выполнены радиальные щели, расположенные с возможностью сообщения рабочих камер с атмосферой, а эксцентрик установлен между запорными органами впускного клапана с возможностью взаимодействия. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что кулисный паз выполнен с наклонными стенками, наклон которых соответствует наклону кривошипа. 3. Машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что нагнетательные клапаны установлены в осевых каналах, выполненных в плунжерах, и включают наконечник с проточками для малых компрессионных колец с концевым буртиком и шариковый запорный орган, установленный в канале наконечника. 4. Машина по пп.1 3, отличающаяся тем, что самодействующие клапаны выполнены в виде размещенных в глухих ступенчатых каналах поршня стержней с закрепленными на них подпружиненными ромбовидными запорными органами и седел в виде стаканов. 5. Машина по пп.1 4, отличающаяся тем, что в стенке цилиндра вторичного сжатия выполнены центральная прорезь и радиальные каналы для сообщения камеры вторичного сжатия со ступенчатым каналом поршня, при этом перемычка установлена в центральной прорези, а радиальные каналы выполнены по обе стороны перемычки. 6. Машина по пп. 1 5, отличающаяся тем, что крышка снабжена наклонными патрубками, связывающими управляемые клапаны с атмосферой, при этом запорный орган управляющего клапана выполнен в виде тарелки, а его механизм управления в виде скобообразной тяги с шариковым упором, один конец которой шарнирно соединен с тарелкой, а другой при помощи оси закреплен на крышке и связан с рычагом, кроме того, шариковый упор снабжен спиральной пружиной, установленной между шариками. 7. Машина по пп.1 6, отличающаяся тем, что плунжеры закреплены на крышках при помощи лучевых пружин и уплотнительных шайб. 8. Машина по пп.1 7, отличающаяся тем, что колено кривошипа выполнено под углом 120^o к эксцентрику. 9. Машина по пп.1 8, отличающаяся тем, что корпус и крышки выполнены четырехгранными, а крышки стянуты болтами. 10. Машина по пп.1 9, отличающаяся тем, что она снабжена глушителем, подключенным к радиальным щелям цилиндра.