ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 2004 года по МПК F02F3/00 F02F5/00 F16J15/46 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при создании поршневых двигателей и насосов.

Известны поршневые машины, которые содержат цилиндр, размещенный в нем поршень с компрессионными элементами, шарнирно соединенный с шатуном, причем сечение цилиндра и поршня выполнено квадратной формы (см. описание к авторскому свидетельству СССР № 1638343, кл. F 03 F 3/00, F 16 J 15/46).

В известном решении повышение герметизации внутри квадратного цилиндра обеспечивается подвижной пластиной, одна поверхность которой прилегает к лишь одной из рабочих поверхностей поршня, а другая, параллельная ей, к одной из поверхностей квадратного цилиндра. Конструкция известного устройства не обеспечивает высокую герметичность и высокий коэффициент полезного действия.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству по совокупности существенных признаков является поршневая машина, содержащая поршень и связанный с ним одним концом шатун, размещенные в направляющей полости, внутренняя поверхность которой имеет контакт с наружной поверхностью поршня по всему его периметру, коленчатый вал, установленный с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной к оси направляющей полости, другой конец шатуна связан с коленчатым валом, причем сечение поршня и направляющей полости выполнены трапецеидальными (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации № 2102620, кл. F 02 F 3/00, опубликованный 20.01.98, бюл. № 2).

По мере износа поршня и направляющей полости герметичность пространства между верхней частью направляющей полости и поршнем значительно уменьшается, а это ведет к уменьшению коэффициента полезного действия машины.

Техническим результатом является повышение герметичности объема машины между верхней частью направляющей полости и поршнем и повышение коэффициента полезного действия поршневой машины.

Достигается это тем, что в поршневой машине, содержащей направляющую полость, поршень, размещенный в направляющей полости, приводной вал, шатунно-кривошипный механизм, соединяющий поршень с приводным валом, боковые части поверхностей поршня и направляющей полости, обращенные друг к другу и расположенные относительно друг друга с зазором между ними, выполнены в виде прямоугольных плоских поверхностей, соединенных между собой частями цилиндрических поверхностей, на поверхности поршня выполнены пазы на разных уровнях в верхней и средней частях поршня, в которых расположены уплотнительные сегменты L-образной формы с концами, выполненными под углом и длиной, обеспечивающей перекрытие концов соседних сегментов, причем сегменты расположены попарно на одном уровне в пазах поршня в диаметрально противоположных его углах, под сегментами в углах поршня выполнены углубления, в которых расположены пружинные системы, прижимающие сегменты к поверхности направляющей полости, а каждый сегмент в средней внешней части имеет закругление радиусом, равным радиусу соответствующей цилиндрической части направляющей полости с отношением радиуса к расстоянию между противоположными параллельными плоскостями направляющей полости в диапазоне 0,01-0,1.

Сущность изобретения заключается в том, что выполнение уплотнительных сегментов, расположенных в пазах поршня на разных уровнях в верхней и средней его частях, с концами, выполненными под углом и длиной, обеспечивающей перекрытие концов соседних сегментов, с расположением сегментов попарно в пазах поршня в диаметрально противоположных его углах, с выполнением под сегментами в углах поршня углублений, в которых расположены пружинные системы, прижимающие сегменты к поверхности направляющей полости, позволяет получить более высокую герметичность объема между верхом поршня и верхней частью направляющей полости, что обеспечивает получение более высокого коэффициента полезного действия машины.

Сравнение предлагаемого устройства с прототипом позволяет судить о выполнении критерия “новизна”, а отсутствие отличительных признаков устройства в аналогах подтверждает соответствие критерию “изобретательский уровень”.

Предварительные испытания макетной конструкции позволяют судить о возможности промышленного использования.

На фиг.1 представлена основная часть конструкции предлагаемой поршневой машины в поперечном сечении, а связанные с ней приводной вал и шатунно-кривошипный механизм на чертеже не показаны, на фиг.2 - размещение уплотнительных сегментов в пазах на поверхности поршня с вариантом пружинной системы в сечении А-А.

Поршневая машина содержит направляющую полость 1, поршень 2, приводной вал (на чертеже не показан), шатунно-кривошипный механизм (на чертеже не показан), соединяющий поршень с приводным валом. Боковые части поверхностей поршня 2 и направляющей полости 1, обращенные друг к другу и расположенные относительно друг друга с зазором между ними, выполнены в виде прямоугольных плоских поверхностей, соединенных между собой частями цилиндрических поверхностей. Радиус цилиндрической части направляющей полости относится к расстоянию между параллельными противоположными плоскостями в диапазоне 0,01-0,1. При этом в горизонтальном сечении внутренняя поверхность направляющей полости 1 и внешняя поверхность поршня 2 образуют фигуру, состоящую из последовательно соединенных прямых отрезков линий и дуг окружностей. В варианте при равенстве длин прямых отрезков и равенстве радиусов окружностей внешняя поверхности цилиндра 2 и внутренняя поверхность направляющей полости 1 в сечении, перпендикулярном направлению движения поршня 2, образуют фигуры, занимающие промежуточное положение между ромбом и эллипсом или квадратом и окружностью при перпендикулярности прямых отрезков, соединенных между собой дугой окружности. При этом формы горизонтальных сечений направляющей поверхности 1 и поршня 2 сходны и отличаются на величину зазоров между ними. В верхней части поршня 2 в пазах 3 находятся компрессионные уплотнительные сегменты 4. При использовании поршневой машины в составе двигателя внутреннего сгорания в средней части поршня 2 в пазах 5 находятся маслосъемные уплотнительные сегменты 6. Каждый из уплотнительных сегментов 4 и 6 выполнен L-образной формы и расположен соответственно в пазах 3 и 5 поршня 2 попарно в диаметрально противоположных его углах с пружинной системой 8, прижимающей сегмент 4 и 6 к внутренней поверхности направляющей полости 1. Части сегментов 4 и 6, прижимаемые к соответствующим цилиндрическим частям направляющей полости, имеют радиусы закругления, равные радиусам соответствующих цилиндрических частей направляющей полости 1. Торцы концов сегментов 4 и 6 выполнены под определенным углом, при котором они параллельны диагоналям поршня 2 и сегменты 4 и 6 могут перемещаться параллельно диагоналям для обеспечивания высокой герметичности между сегментами 4 и 6, направляющей полостью 1 и поршнем 2. Длина концов сегментов 4 и 6 выбирается из условия обеспечения перекрытия друг друга концами соседних сегментов 4 или 6 соответственно, расположенных в общем пазу 3 или 4 поршня 2. Такое перекрытие обеспечивает высокую герметичность и при последующем износе внутренней поверхности направляющей полости 1 и наружной поверхности сегментов 4 и 6 в процессе эксплуатации поршневой машины. В варианте пружинная система 8 состоит, например, из плоской изогнутой пружины, которая находится в углублении 9 поршня 2 и концами опирается на внутреннюю поверхность каждого соответствующего сегмента 4 и 6, а внутренней средней частью в выступ 10 углубления 9 поршня 2.

При использовании поршневой машины в составе двигателя внутреннего сгорания работа происходит следующим образом. При движении поршня 1 вниз под воздействием на него через шатунно-кривошипный механизм приводного вала за счет создаваемого в направляющей полости 1 над поршнем 2 разрежения при более высокой герметизации полости посредством сегментов 4 и 6 через открытый впускной клапана двигателя топливно-воздушная смесь поступает в направляющую полость 1.

При движении поршня 2 вверх и закрытом впускном клапане двигателя начинает повышаться давление в направляющей полости 2 до завершения сжатия топливно-воздушной смеси. В конце сжатия топливно-воздушную смесь воспламеняют искровым разрядом свечи зажигания двигателя. При сгорании смеси объем продуктов сгорания резко увеличивается, что вызывает изменение направления движения поршня 2 и поршень 2 двигается вниз.

Выделенная энергия при расширении продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счет воздействия через поршень 2, который связан через кривошипно-шатунный механизм с приводным валом двигателя.

После расширения и достижения поршнем 2 нижней точки движения через открытый выпускной клапан двигателя поршень 2 при своем движении вверх осуществляет выталкивание продуктов сгорания из направляющей полости 2.

Цикл работы поршневой машины на этом завершается и в дальнейшем повторяется.

В рассматриваемой системе - поршневая машина в составе двигателя внутреннего сгорания за счет более плотного прижима сегментов к внутренней поверхности направляющей полости и прилегания поверхностей концов соседних сегментов друг к другу осуществляется более высокая герметизация поршня 2 в направляющей полости 1 как при сжатии топливно-воздушной смеси, так и при ее сгорании, при этом утечка газов под поршень 2 практически в период работы не происходит, что повышает коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания, уменьшает содержание вредных компонентов выхлопных газов, увеличивает ресурс двигателя и его мощность.

При использовании поршневой машины в составе насосного устройства работа ее в основном аналогична работе в составе двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня 1 вниз под воздействием на него приводного вала через шатунно-кривошипный механизм за счет создаваемого в направляющей полости 1 над поршнем 2 разрежения при более высокой герметизации полости посредством сегментов 4 и 6 через впускное отверстие клапана насосного устройства газ, или жидкость, или их смесь поступает в направляющую полость 1.

После достижения поршнем 2 нижней точки движения впускной клапан закрывается. Через открытый выпускной клапан насосного устройства поршень 2 при своем движении вверх осуществляет выталкивание газа, или жидкости, или их смеси из направляющей полости 1.

Цикл работы поршневой машины в составе насосного устройства на этом завершается и в дальнейшем повторяется.

Более высокая герметичность поршневой машины значительно сокращает возможность попадания жидкости или газа под поршень.

Машина может быть использована при создании двигателей внутреннего сгорания и насосов. Машина содержит направляющую полость, размещенный в ней с зазором поршень, приводной вал и шатунно-кривошипный механизм. Боковые части обращенных друг к другу поверхностей поршня и полости выполнены в виде прямоугольных плоских поверхностей, сопряженных между собой частями цилиндрических поверхностей. На поверхности поршня на разных уровнях в верхней и средней его частях выполнены пазы с расположенными в них уплотнительными сегментами L-образной формы с концами, выполненными под углом, и длиной, обеспечивающей перекрытие соседних концов сегментов. Сегменты расположены попарно в диаметрально противоположных углах, а под сегментами в углах поршня выполнены углубления с расположенными в них пружинными системами. Каждый сегмент в средней внешней части имеет закругление радиусом, равным радиусу цилиндрической части полости, и с отношением радиуса закругления к расстоянию между противоположными параллельными плоскостями направляющей полости в диапазоне 0,01-0,1. Изобретение обеспечивает повышение кпд и улучшение герметизации. 2 ил.

Поршневая машина, содержащая направляющую полость, поршень, размещенный в направляющей полости, приводной вал, шатунно-кривошипный механизм, соединяющий поршень с приводным валом, отличающаяся тем, что боковые части поверхности поршня и направляющей полости, обращенные друг к другу и расположенные относительно друг друга с зазором между ними, выполнены в виде прямоугольных плоских поверхностей, соединенных между собой частями цилиндрических поверхностей, на поверхности поршня выполнены пазы на разных уровнях в верхней и средней частях поршня, в которых расположены уплотнительные сегменты L-образной формы с концами, выполненными под углом, и длиной, обеспечивающей перекрытие концов соседних сегментов, причем сегменты расположены попарно на одном уровне в пазах поршня в диаметрально противоположных его углах, под сегментами в углах поршня выполнены углубления, в которых расположены пружинные системы, прижимающие сегменты к поверхности направляющей полости, а каждый сегмент в средней внешней части имеет закругление радиусом, равным радиусу соответствующей цилиндрической части направляющей полости с отношением радиуса к расстоянию между противоположными параллельными плоскостями направляющей полости в диапазоне 0,01-0,1.