ДВУХТАКТНАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 1999 года по МПК F02B75/32 F02B33/18 

Изобретение относится к машиностроению и может применяться для преобразования вращательного движения рабочего вала в возвратно-поступательное движение поршней как на транспортных средствах, так и стационарно, например, для привода генератора, компрессора и т.п.

Известны поршневые машины с бесшатунным механизмом преобразования вращательного движения рабочего вала в возвратно-поступательное движение поршней, которые содержат одну или несколько эксцентриковых втулок, в которых размещены коленчатые валы, взаимосвязанные с однопоршневыми или двухпоршневыми штоками, совершающими возвратно-поступательное перемещение в цилиндрах двигателя.

Некоторые из этих решений, например, двигатель В.Хасьянова (журнал "Изобретатель и рационализатор", N 8, 1981 г., стр. 6 и 7), не имеют механизма согласования движения кривошипных валов в корпусе поршневой машины и для обеспечения прямолинейного перемещения штока с поршнем используют крейцкопфы. В других, например в двигателе А.Иванова (журнал "Изобретатель и рационализатор", N 6, 1991 г. , стр. 16 и 17), использовано планетарное движение коленчатого вала, жестко взаимосвязанного с малым зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с неподвижным большим зубчатым колесом, при котором шейки коленчатого вала совершают строго прямолинейное перемещение поршней в цилиндрах.

К недостаткам вышеуказанных двигателей можно отнести неуравновешенность частей двигателя, совершающих возвратно-поступательное движение, так как движущиеся массы направлены перпендикулярно друг к другу, а в двигателе Хасьянова В. при движении штока в направляющих создается дополнительное сопротивление. Кроме того, крестообразное расположение цилиндров затрудняет использование таких двигателей на транспортном средстве с ограниченным моторным отсеком.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по конструкции является поршневая машина с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала или наоборот, состоящая из корпуса с оппозитно расположенными цилиндрами, в которых размещены двухпоршневые штоки, связывающие поршни с шейками коленчатого вала, выполненного из двух взаимосвязанных между собой шарнирной муфтой с возможностью перемещения перпендикулярно плоскости движения штоков частей, смонтированных в эксцентриковых втулках, взаимосвязанных с приводом через вал-шестерню и установленных в корпусе с возможностью соосного вращения обеих втулок в противоположных направлениях по отношению друг к другу (патент СССР N 1771513, МПК F 01 В 9/02, 1992 г.). Это решение принято за прототип.

Недостатком поршневой машины по прототипу является значительное расстояние между осями цилиндров из-за наличия шарнирной муфты поступательного движения и согласующей конической шестерни, осуществляющей взаимосвязь приводного вала с эксцентриковыми втулками. К тому же рабочий вал машины расположен перпендикулярно оси вращения эксцентриковых втулок, что значительно усложняет последовательное расположение нескольких поршневых машин на отдельном корпусе для формирования агрегата необходимой мощности.

Задача изобретения - уменьшение габаритов устройства.

Для решения поставленной задачи в поршневой машине, содержащей корпус с оппозитно расположенными цилиндрами, в которых размещены двухпоршневые штоки, связывающие поршни с шейками коленчатого вала, выполненного из двух кинематически взаимосвязанных между собой с возможностью перемещения перпендикулярно плоскости движения штоков частей, смонтированных в эксцентриковых втулках, взаимосвязанных с приводом через вал-шестерню и установленных в корпусе с возможностью соосного вращения обеих втулок в противоположных направлениях по отношению друг к другу, согласно заявляемому техническому решению эксцентриковые втулки выполнены с разными диаметрами и наружная поверхность большей из них выполнена зубчатой, малая эксцентриковая втулка установлена без возможности осевого перемещения в глухом центральном отверстии, выполненном в большой эксцентриковой втулке, а кинематическая связь между частями коленчатого вала выполнена с помощью оси, смонтированной в отверстиях крайних щек обеих частей коленчатого вала, причем каждый из штоков цилиндров выполнен полым и снабжен впускным и выпускным клапанами, установленными с обеих его торцев, в стенках цилиндров выполнены окна, предназначенные для поочередного соединения бесштоковых полостей с одной стороны цилиндров с выпускным коллектором, при этом бесштоковые полости с другой стороны сообщены со впускным коллектором через клапаны, а вал-шестерня установлена в дополнительном корпусе параллельно оси эксцентриковых втулок с возможностью зацепления с зубьями большой втулки.

Кроме того, на дополнительном корпусе может быть установлено более одной поршневой машины, при этом на приводном валу параллельно друг другу жестко устанавливают соответствующее количество шестерен. В штоковых полостях цилиндров могут быть установлены втулки, штоковые полости могут быть сообщены через клапан со впускным коллектором, а в бесштоковых полостях выполнены окна, предназначенные для поочередного соединения этих полостей с выпускным коллектором, причем штоки выполнены с глухими центральными отверстиями на концах, которые сообщены с бесштоковыми полостями цилиндров через отверстия, выполненные в штоке.

На фиг. 1 изображена заявляемая поршневая машина, осевой разрез.

На фиг. 2 - вид А на фиг. 1.

На фиг. 3 - вариант установки нескольких поршневых машин в одном корпусе.

На фиг. 4 - поршневая машина по 3 пункту формулы изобретения.

Поршневая машина содержит корпус 1, в котором размещена большая эксцентриковая втулка 2 с зубьями 3 на наружной поверхности и с глухим центральным отверстием, в котором установлена малая эксцентриковая втулка 4, зафиксированная от осевого смещения. Коленчатый вал выполнен из двух кинематически взаимосвязанных между собой частей 5 и 6, которые установлены в эксцентричных отверстиях втулок 2 и 4 соответственно. Кинематическая связь между частями коленчатого вала выполнена с помощью оси 7, смонтированной в отверстиях крайних щек обеих частей коленвала и зафиксированной от смещения вдоль оси 8 втулок 2 и 4. На корпусе 1 оппозитно установлены цилиндры 9 и 10 с бесштоковыми полостями: рабочими полостями 11 и 12 и с компрессионными 13 и 14, в которых размещены двухпоршневые штоки 15 и 16 с оппозитно друг относительно друга установленными поршнями 17, 18 и 19 и 20 соответственно. Штоки 15 и 16 выполнены полыми и снабжены впускными 21 и 22 и выпускными 23 и 24 клапанами, установленными с обеих их торцев, и взаимосвязаны с крайними шейками коленчатого вала с возможностью вращения. Поршни 17 и 19 размещены в рабочих полостях цилиндров, а поршни 18 и 20 - в компрессионных полостях цилиндров 9 и 10. Рабочие полости 11 и 12 цилиндров 9 и 10 сообщаются между собой через окна 25 и 26, выполненные в стенках цилиндров и предназначенные для поочередного соединения этих полостей с выпускным коллектором 27. Компрессионные полости 13 и 14 цилиндров сообщаются со впускными коллекторами 28 и 29 через клапаны 30 и 31.

Плечо R коленчатого вала на одной торцевой плоскости равно плечу R коленчатого вала на другой торцевой плоскости и равно эксцентриситету втулки 2 и четвертой части линейного хода поршней 15 и 16 в цилиндрах 9 и 10, а части 5 и 6 коленчатого вала установлены с возможностью перемещения перпендикулярно плоскости движения штоков 15 и 16 (см. фиг.1).

Поршневая машина установлена на дополнительном корпусе 32, в котором параллельно оси 8 втулок и с возможностью зацепления с зубьями большой втулки 2 размещена шестерня 33 с валом 34. Подвод топливовоздушной смеси осуществляется через клапаны 30 и 31, а выпуск отработанных газов - через окна 25 и 26 в рабочей полости цилиндров 9 и 10.

На дополнительном корпусе 32 может быть установлено более одной двухтактной поршневой машины, при этом на валу 34 параллельно друг другу жестко устанавливают соответствующее количество шестерен (см. фиг. 3 чертежей).

Кроме того, в штоковых полостях цилиндров 9 и 10 могут быть установлены втулки 35 и общие двухпоршневые штоки 36 с глухими центральными отверстиями в торцах, в которых установлены клапаны 37 с образованием полостей 38. Поршень 39 делит каждый цилиндр на штоковую 40 и бесштоковую 41 полости. Полость 38 сообщается со штоковой полостью 40 через окно 42, выполненное в штоке 36. Штоковая полость сообщается со впускным коллектором 28, в котором размещен клапан 43, а бесштоковая полость 41 через окно 44 в цилиндре сообщается с выпускным коллектором 27, когда поршень 39 находится в нижней точке (см. фиг. 4).

Двухтактная поршневая машина работает следующим образом.

От внешнего источника, например от стартера, приводится во вращение вал 34 с шестерней 33, имеющей кинематическую связь с эксцентриковой втулкой 2 через зубчатое зацепление. Эксцентриковая втулка 2 начинает вращаться, а одновременно с ней начинает вращаться коленчатый вал 6, при этом ось 7 начинает совершать прямолинейное движение перпендикулярно плоскости, в которой расположены оси штоков 15 и 16, и приводит во вращение коленчатый вал 5 и втулку 4, в которой этот коленчатый вал установлен. Шейки частей 5 и 6 коленчатого вала, связанные со штоками 15 и 16, совершают прямолинейное движение в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения оси 7. В результате возникает прямолинейное возвратно-поступательное движение штоков 15 и 16 в противоположных направлениях.

При движении штока 16 с поршнями 19 и 20 вверх (описание взаимного расположения поршней цилиндров производится по их расположению на фиг.1 в компрессионной полости 14 цилиндра 10 создается разрежение, в результате которого открывается клапан 31 и топливовоздушная смесь из карбюратора (не показан) заполняет компрессионную полость 14. Одновременно с этим шток 15 с поршнями 17 и 18 двигается вниз, под давлением сжимаемого воздуха открывается клапан 21 и воздух заполняет полость штока 15. Когда поршень 17 открывает окно 25, сжатый воздух, находящийся в полости штока 15, открывает клапан 23 и воздух поступает в рабочую полость 11 и через открытое окно 25 в выпускной коллектор 27 и далее в атмосферу. В это время поршень 19 занимает крайнее верхнее положение, клапан 31 закрыт, компрессионная полость 14 заполнена топливовоздушной смесью, окно 26 закрыто поршнем 19. При дальнейшем вращении эксцентриковых втулок 2 и 4 и установленных в них частей 5 и 6 коленчатого вала штоки 15 и 16 начинают обратное движение. Поршни 19 и 20 движутся вниз, а поршни 17 и 18 вверх. При этом в компрессионной полости 13 создается разрежение, открывается клапан 30 и топливовоздушная смесь из карбюратора поступает в полость 13. Поршень 20 при своем движении вниз сжимает находящуюся в компрессионной полости 14 топливовоздушную смесь, под давлением которой клапан 31 закрывается, а клапан 22 открывается и топливовоздушная смесь заполняет полость штока 16, своим давлением открывает клапан 24 и заполняет ею рабочую полость 12. Поршень 20 приходит в свою крайнюю нижнюю точку, открывая при этом окно 26. Так как объемы полостей 12 и 14 равны, то утечки топливовоздушной смеси в выпускной коллектор 27 через открытое окно 26 незначительны. Поршень 17 в это время находится в самой верхней точке, компрессионная полость 13 заполнена топливовоздушной смесью, клапан 31 закрыт. При дальнейшем вращении эксцентриковых втулок 2 и 4 и частей 5 и 6 коленчатого вала поршень 18 движется вниз, сжимая топливовоздушную смесь, под давлением которой открывается клапан 21 и топливовоздушная смесь заполняет полость штока 15 и через клапан 23 рабочую полость 11.

Далее поршень 19 движется вверх, перекрывая окно 26, и сжимает топливовоздушную смесь. В компрессионной полости 14 цилиндра 10 вновь создается разрежение и она заполняется топливовоздушной смесью. Поршень 19 приходит в крайнюю верхнюю точку, сжатая топливовоздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания (не показана), смесь сгорает, давление в рабочей полости 12 возрастает, поршень 19 силой давления расширяющихся газов движется вниз, совершая рабочий ход. Внешний источник движения (стартер) отключается от вала-шестерни 32 и вращение эксцентриковых втулок 2 и 4 и частей 5 и 6 коленчатого вала происходит под давлением расширяющихся газов в рабочей полости 12, воспринимаемым поршнем 19.

Затем поршень 17 движется вверх, сжимая топливовоздушную смесь в рабочей полости 11 и создавая разрежение в компрессионной полости 13, тем самым заставляя открываться клапан 30 для заполнения этой полости новой порцией топливовоздушной смеси. Когда поршень 17 достигает верхней точки, смесь в полости 11 воспламеняется от свечи зажигания (не показана). Совершается рабочий ход. При этом поршень 17, двигаясь вниз, открывает окно 26 и сгоревшая топливовоздушная смесь через это окно поступает в выпускной коллектор и далее в атмосферу. При этом в полости штока 16 уже находится предварительно сжатая топливовоздушная смесь, и когда давление в рабочей полости 12 станет меньше давления топливовоздушной смеси в полости штока 16, открывается клапан 24 и предварительно сжатая топливовоздушная смесь производит очистку рабочей полости 12 от продуктов сгорания и заполнение ее свежим зарядом.

В процессе рабочего хода поршень 17 открывает окно 25 и сгоревшая топливовоздушная смесь через него поступает в выпускной коллектор 27. Когда давление в рабочей полости 11 станет меньше давления предварительно сжатой топливовоздушной смеси в полости штока 15, открывается клапан 23 и топливовоздушная смесь производит очистку рабочей полости 11 и заполнение ее свежим зарядом.

Этот процесс циклически повторяется.

Поршневая машина по 3-ему пункту формулы работает следующим образом.

От внешнего источника (стартера) приводится во вращение эксцентриковая втулка 2. Поршень 39 движется вниз, в полости 40 создается давление, т.к. клапан 43 закрыт. Воздух через окно 42 поступает в полость 38 и своим давлением открывает клапан 37, заполняя полость 41. Когда поршень 39 при своем движении вниз открывает окно 44, воздух из полости 41 поступает в выпускной коллектор 27 и далее в атмосферу. Затем поршень 39 движется вверх. В полости 40 создается разрежение, открывается клапан 43 и топливовоздушная смесь из карбюратора (не показан) по выпускному коллектору 28 заполняет эту полость. Когда поршень 39 достигает своей верхней точки, закрывается клапан 43. Поршень 39 движется вниз, при этом в полости 40 сжимается топливовоздушная смесь, которая через окно 44 заполняет полость 38 и через клапан 37 - полость 41. Поршень 39 двигается вверх, в полости 40 создается разрежение и она заполняется новой порцией топливовоздушной смеси. При своем движении вверх поршень 39 перекрывает окно 44 и сжимает топливовоздушную смесь в полости 41. При достижении поршнем 39 верхней точки сжатая топливовоздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания (не показана) и сгорает. Расширившиеся газы давят на поршень 39. Совершается рабочий ход. Внешний источник вращения (стартер) отключается. По мере движения поршня 39 вниз в полостях 38 и 40 создается давление топливовоздушной смеси. Когда поршень 39 открывает окно 44, сгоревшая смесь через него поступает в выпускной коллектор 27 и далее в атмосферу. Когда давление в полости 41 станет меньше давления в полостях 38 и 40, открывается клапан 37 и предварительно сжатая топливовоздушная смесь производит очистку полости 41 от продуктов сгорания и заполняет ее свежим зарядом. При этом верхний левый (на фиг. 1) и нижний правый цилиндры работают в одной фазе, а нижний левый и верхний правый в противоположной фазе.

Этот процесс циклически повторяется.

Заявляемое техническое решение уменьшает габариты поршневой машины за счет выполнения эксцентриковых втулок разных диаметров и установки одной из них в глухом центральном отверстии, выполненном в другой втулке с зубчатой наружной поверхностью и улучшает рабочие характеристики двухтактных двигателей за счет замены кривошипно-камерной продувки продувкой от компрессионного цилиндра с применением клапанов, управляемых потоком топливовоздушной смеси. Значительный путь, проходимый топливовоздушной смесью, создает условия для наилучшего перемешивания воздуха с топливом и получения топливовоздушной смеси однородного состава, что является благоприятным условием ее горения и уменьшает токсичность отработавших газов.

Отсутствие впускного окна позволяет увеличить коэффициент наполнения рабочего цилиндра свежим зарядом, а также разместить выпускные окна по всему периметру рабочего цилиндра, что значительно улучшает качество продувки этого цилиндра от продуктов сгорания. Все вышеизложенное позволяет значительно сблизить рабочие характеристики четырех- и двухтактных двигателей, при том, что двухтактные двигатели проще по конструкции, а значит и дешевле в производстве.

Кроме того, установка нескольких двухтактных поршневых машин на корпус, в котором расположены вал с жестко закрепленными на нем шестернями по числу монтируемых модулей, позволяет формировать из модулей поршневых машин агрегаты необходимой мощности.

А выполнение поршневой машины по 3-ему пункту формулы позволяет удвоить мощность двигателя при тех же габаритах механизма преобразования вращательного движения эксцентриковых втулок в возвратно-поступательное перемещение поршней.

Изобретение относится к машиностроению и может применяться как на транспортных средствах, так и стационарно, например, для привода генератора, компрессора и т.п. Поршневая машина содержит корпус с оппозитно расположенными цилиндрами, в которых размещены двухпоршневые штоки, связывающие поршни с шейками коленчатого вала, выполненного из двух кинематически взаимосвязанных между собой с возможностью перемещения перпендикулярно плоскости движения штоков, частей, смонтированных в эксцентриковых втулках, взаимосвязанных с приводом через вал-шестерню и установленных в корпусе с возможностью соосного вращения обеих втулок в противоположных направлениях. Эксцентриковые втулки выполнены с разными диаметрами, наружная поверхность большей из них выполнена зубчатой, а малая эксцентриковая втулка установлена без возможности осевого перемещения в глухом центральном отверстии большой эксцентриковой втулки. Кинематическая связь между частями коленчатого вала выполнена с помощью оси, смонтированной в отверстиях крайних щек обеих частей коленчатого вала. Каждый из штоков выполнен полым и снабжен впускным и выпускным клапанами, установленными с обоих его торцов. В стенках цилиндров выполнены окна, предназначенные для поочередного соединения бесштоковых полостей с одной стороны цилиндров с выпускным коллектором. Бесштоковые полости с другой стороны сообщены со впускным коллектором через клапаны. Технический результат заключается в уменьшении габаритов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двухтактная поршневая машина с бесшатунным механизмом преобразования вращательного движения рабочего вала с возвратно-поступательное движение поршней, содержащая корпус с оппозитно расположенными цилиндрами, в которых размещены двухпоршневые штоки, связывающие поршни с шейками коленчатого вала, выполненного из двух кинематически взаимосвязанных между собой с возможностью перемещения перпендикулярно плоскости движения штоков частей, смонтированных в эксцентриковых втулках, взаимосвязанных с приводом через вал-шестерню и установленных в корпусе с возможностью соосного вращения обеих втулок в противоположных направлениях по отношению друг к другу, отличающаяся тем, что эксцентриковые втулки выполнены с разными диаметрами и наружная поверхность большей из них выполнена зубчатой, малая эксцентриковая втулка установлена без возможности осевого перемещения в глухом центральном отверстии, выполненном в большой эксцентриковой втулке, а кинематическая связь между частями коленчатого вала выполнена с помощью оси, смонтированной в отверстиях крайних щек обеих частей коленчатого вала, причем каждый из штоков цилиндров выполнен полым и снабжен впускным и выпускным клапанами, установленными с обеих его торцов, в стенках цилиндров выполнены окна, предназначенные для поочередного соединения бесштоковых полостей с одной стороны цилиндров с выпускным коллектором, при этом бесштоковые полости с другой стороны сообщены со впускным коллектором через клапаны, а вал-шестерня установлен в дополнительном корпусе параллельно оси эксцентриковых втулок с возможностью зацепления с зубьями большой втулки. 2. Поршневая машина по п. 1, отличающаяся тем, что на дополнительном корпусе установлено более одной поршневой машины, при этом на приводном валу параллельно друг другу жестко устанавливают соответствующее количество шестерен. 3. Поршневая машина по п.1. отличающаяся тем, что в штоковых полостях цилиндров установлены втулки, штоковые полости сообщены через клапан со впускным коллектором, а в бесштоковых полостях выполнены окна, предназначенные для поочередного соединения этих полостей с выпускным коллектором, причем штоки выполнены с глухими центральными отверстиями на концах, которые сообщены с бесштоковыми полостями цилиндров через отверстия, выполненные в штоке.