ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК F02B75/32 F01B5/00 

Изобретение относится к области Н-образных поршневых машин: как к двигателям внутреннего сгорания, так и к двигателям с внешним подводом тепла, а также к компрессорам и насосам и может быть использовано в транспортных средствах, в строительстве, в сельском хозяйстве и машиностроении, а также в других отраслях народного хозяйства как в качестве силовой установки, так и в качестве компрессора или насоса.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, цилиндры, установленные в корпусе, поршни, расположенные в цилиндрах, коленчатый вал, установленный в корпусе с возможностью вращения и шатуны, шарнирно связанные с поршнем и коленчатым валом [1]
Недостатком известного двигателя является сложность конструкции его коленчатого вала, обусловленная наличием большого количества шатунных и коренных реек, большой угол отклонения шатунов то в одну, то в другую сторону относительно оси цилиндров, в результате чего возникает большая знакопеременная нормальная сила, которая прижимает поршень то к одной, то к другой стороне стенки цилиндра, что приводит к возникновению значительных сил трения, а следовательно, к значительному дополнительному нагреву цилиндро-поршневой группы и к преждевременному ее износу.

Известен также Н-образный четырехтактный четырехцилиндровый двигатель, выбранный в качестве прототипа, как наиболее близкий по технической сущности к заявленному, содержащий корпус, по меньшей мере, одну оппозитную пару цилиндров, оппозитные поршни, установленные в цилиндрах и жестко связанные между собой штоком, ось с коромыслом и рычагом, установленную в корпусе с возможностью поворота, первые шатуны, шарнирно связанные первыми головками со штоками поршней, а вторыми с коромыслом, коленчатый вал, установленный в корпусе, второй шатун, шарнирно связанный с коленчатым валом и рычагом [2]
В известном Н-образном двигателе упрощена конструкция коленчатого вала путем уменьшения количества шатунных и коренных реек, несколько увеличена долговечность его работы путем уменьшения угла отклонения первого шатуна как в одну, так и в другую сторону относительно оси цилиндров путем уменьшения нормальной силы, прижимающей поршень к стенке цилиндра за счет шарнирного соединения шатуна с коромыслом, однако вопросы полного устранения действия нормальной силы на поршень остались нерешенными, а конструктивное исполнение поршней значительно усложнилось. При этом известный двигатель имеет узкий диапазон применения и недостаточную удельную мощность для Н-образного типа двигателя.

Целью изобретения является дальнейшее повышение долговечности работы за счет переноса точки приложения нормальной силы с поршней на ползуны, повышение удельной мощности за счет увеличения количества рабочих полостей в два раза и расширение диапазона применения: оно может найти применение, например, в двухтактных двигателях внутреннего сгорания, в двигателях с внешним подводом тепла, в компрессорах и насосах.

Указанная цель достигается тем, что в известном двигателе, содержащем корпус, две оппозитные пары цилиндров, оппозитные поршни, установленные в цилиндрах и жестко связанные между собой штоком, ось с коромыслом и рычагом, установленную в корпусе с возможностью поворота, первые шатуны, шарнирно связанные первыми головками со штоками поршней, а вторыми с коромыслом, коленчатый вал, установленный в корпусе, второй шатун, шарнирно связанный с коленчатым валом и рычагом, в средней части поршневого штока установлены поперечные и продольные пластины, жестко связанные между собой и с поршневыми штоками, и ползуны, жестко связанные с продольными пластинами, в корпусе выполнены направляющие, размещенные с возможностью взаимодействия с ползунами, причем первая головка первого шатуна шарнирно связана с продольными пластинами.

Сопоставленный анализ с прототипом показывает, что заявляемая поршневая машина соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений (аналогов) в области поршневых машин позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемой поршневой машине, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан общий вид предложенной поршневой машины, а на фиг. 2 - поперечный разрез машины, показанной на фиг. 1.

Поршневая машина содержит корпус 1, оппозитные пары цилиндров 2 и 2', установленные в корпусе 1, оппозитные поршни 3 и 3', размещенные в цилиндрах 2 и 2', соответственно, и связанные между собой штоком 4, в средней части которого установлены поперечные 5 и продольные 6 пластины, жестко связанные между собой и с поршневым штоком 4. К продольным пластинам 6 жестко прикреплены ползуны 7, а в корпусе 1 выполнены направляющие 8, размещенные с возможностью взаимодействия с ползунами 7. В корпусе 1 установлена ось 9, на которой закреплены коромысло 10 с рычагом 11 с возможностью поворота. Причем коромысло 10 и рычаг 11 жестко связаны между собой. В продольных пластинах 6 шарнирно закреплена первая головка первого шатуна 12, который расположен между вышеупомянутыми пластинами 6, а вторая его головка шарнирно связана с кормыслом 10. Рычаг 11 посредством второго шатуна 13 шарнирно связан с коленчатым валом 14, на котором имеется муфта 15 для отбора мощности. В цилиндрах 2 и 2'имеются наружные 16 и внутренние 17 рабочие полости. При этом точка приложения нормальной силы переносится с поршней 3 и 3' на ползуны 7 и воспринимается направляющими 8, чем и предохраняется цилиндро-поршневая группа от лишнего износа.

Необходимо отметить, что шарнирное соединение первого шатуна 12 с коромыслом 10 дает возможность установить первый шатун 12 с небольшим углом его отклонения от оси цилиндров 2 и 2'. Значение угла отклонения первого шатуна зависит от величины плеча коромысла, хода поршня и длины шатуна, размеры которых выбираются конструктивно. Для обеспечения наименьшего угла отклонения первого шатуна величина плеча коромысла должна быть такой, чтобы обеспечить расположение сегмента, образованного дугой окружности (траекторией движения) описанной второй головки первого шатуна, и линией, соединяющей начало и конец вышеупомянутой дуги на оси цилиндров 2 и 2' таким образом, что вышеупомянутая ось цилиндров делит высоту сегмента h на две равные части, причем, первая и четвертая четверти дуги (крайние ее части, составляющие в сумме приблизительно половину дуги) расположены по одну сторону от оси цилиндров 2 и 2' а вторые и третьи четверти, составляющие также около половины дуги (средняя часть дуги), расположены по другую сторону от оси цилиндров, то есть дуга траектории движения второй головки первого шатуна два раза пересекает ось цилиндров 2 и 2'. Величина плеча коромысла, которая равна радиусу R дуги окружности (траектории движения), описываемой второй головкой первого шатуна, должна быть равна: R a + h/2, где а 1/2 межцилиндрового расстояния.

Выполнение этого условия позволит в несколько раз уменьшить величину угла отклонения первого шатуна 12 от оси цилиндров по сравнению с известными поршневыми машинами, что приводит к соответствующему уменьшению в несколько раз нормальной силы, прикладываемой к ползунам, по сравнению с известными крейцкоперными поршневыми машинами, а следовательно и износ в паре ползун-направляющая в предлагаемой поршневой машине в несколько раз будет меньшим, чем в аналогичной паре в известных крейцкопфных машинах.

Поршневая машина работает следующим образом. При установившемся режиме работы поршни 3 и 3' совершают возвратно-поступательные движения из одного их крайнего положения в другое. Вместе с поршнями 3 и 3' возвратно-поступательное движение совершает и первая головка первого шатуна 12. Первый шатун 12 совершает сложное движение, а вторая его головка совершает возвратно-поступательное движение по дуге окружности радиусом R, равным плечу коромысла 10 и приводит в возвратно-вращательное движение вышеупомянутые коромысло 10 и рычаг 11. Рычаг 11 через второй шатун 13 приводит во вращательное движение коленчатый вал 14, с которого и снимается полезная мощность.

Применение в поршневой машине двух поперечных 5 и двух продольных 6 пластин, установленных в средней части штока 4 и жестко связанных между собой и со штоком 4, шарнирно укрепленным в продольных пластинах 6 первым шатуном 12, а также ползунов 7, жестко прикрепленных к продольным пластинам 6, и направляющих 8, выполненных в корпусе 1 с возможностью взаимодействия их с ползунами 7, позволяет значительно уменьшить износ деталей цилиндро-поршневой группы за счет переноса точки приложения нормальной силы с поршней 3 и 3' на ползуны 7, а также позволяет значительно увеличить удельную мощность за счет увеличения количества рабочих полостей в два раза, упростить конструкцию поршней и расширить диапазон применения. Так, например, вновь введенные внутренние рабочие полости 17 могут служить продувочными нагнетателями в двухтактных двигателях внутреннего сгорания, а в двигателях с внешним подводом тепла внутренние рабочие полости 17 могут служить в качестве холодных рабочих полостей, а наружные рабочие полости 16 могут служить в качестве горячих полостей расширения. Поршневые машины, имеющие много рабочих полостей, могут найти применение в компрессорах высокого давления с многоступенчатым сжатием.

Источники информации:
1. Сапожников Е.Н. Двигатели внутреннего сгорания. К. Техника, 1979, с. 146 -149, рис. 121.

2. Патент ФРГ N 874673, Н.кл. 46 а¹¹, 1, опублик. 1953.

Использование: в области Н-образных поршневых машин. Сущность изобретения: в средней части поршневого штока 3 установлены поперечные 5 и продольные 6 пластины, жестко связанные между собой и с поршневыми штоками 3, и ползуны 7, жестко связанные с продольными пластинами 6, в корпусе выполнены направляющие 8, размещенные с возможностью взаимодействия с ползунами 7, причем первая головка первого шатуна 12 шарнирно связана с продольными пластинами 6. 2 ил.

Поршневая машина, содержащая корпус, по крайней мере одну оппозитную пару цилиндров, оппозитные поршни, установленные в цилиндрах и жестко связанные между собой штоком, ось с коромыслом и рычагом, установленную в корпусе с возможностью поворота, первые шатуны, шарнирно связанные первыми головками со штоками поршней, а вторыми с коромыслом, коленчатый вал, установленный в корпусе, второй шатун, шарнирно связанный с коленчатым валом и рычагом, причем ось коромысла расположена на перпендикуляре, проведенном к оси цилиндров, отличающаяся тем, что в средней части поршневого штока установлены поперечные и продольные пластины, жестко связанные между собой и с поршневыми штоками, и ползуны, жестко связанные с продольными пластинами, в корпусе выполнены направляющие, размещенные с возможностью взаимодействия с ползуном, причем первая головка первого шатуна шарнирно связана с продольными пластинами.