ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 2005 года по МПК F01B3/04 F01B9/06 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а также к насосо- и компрессоростроению, и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания - источника механической энергии для транспортных машин и других мобильных и стационарных потребителей, насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства, а также детандера - устройства для редукции давления рабочего тела и производства механической работы.

Известны конструкции бесшатунных и бескривошипных поршневых тепловых машин, такие как, например, двигатель Баландина, поршневая машина Лапидуса.

Двигатель Баландина (см.: Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972) содержит корпус, цилиндры, поршни, штоки, соединительные звенья, коленчатый вал. В двигателе Баландина преобразование возвратно-поступательного движения поршней, попарно жестко связанных со штоками, во вращательное движение коленчатого вала осуществляется при помощи соединительных звеньев и кривошипов коленчатого вала.

Поршневая машина Лапидуса (А.С. № 1038487, F 01 В 9/08, опубл. 1983) содержит корпус, цилиндр, поршень и выходной вал, связанный с цилиндром посредством рычагов обгонных муфт, установленных на валу внутри поршня в “противоход” друг другу.

Наиболее близкой к предлагаемой поршневой машине является конструкция оескривошипного двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ № RU 2156871 С1, МПК 7 F 01 В 9/06, F 02 В 75/26. Этот бескривошипный двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом, выполненным на наружной поверхности поршня; на выходном валу установлена предварительно сжатая пружина, один конец которой опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний торец юбки поршня, что ведет к уменьшению средних удельных давлений в сочленении “тело вращения - криволинейный паз”.

Основными недостатками такого бескривошипного ДВС являются:

- повышенная работа трения из-за наличия у поршня, помимо возвратно-поступательной, дополнительной - вращательной - составляющей движения, что увеличивает механические потери и уменьшает общий (эффективный) КПД двигателя;

- необходимость установки между поршнем и выходным валом предварительно сжатой пружины, что приводит к увеличению затрат мощности на преодоление усилия пружины и ведет к ухудшению показателей работы двигателя;

- усложнение конструкции двигателя, увеличение трудоемкости и ухудшение технологичности процессов монтажа и сборки основных деталей, а также ограничение возможностей его быстрого, легкого и надежного пуска.

В основу изобретения положено решение задачи улучшения технико-экономических показателей двигателя: упрощение конструкции, уменьшение внутренних потерь, повышение КПД.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в предлагаемой поршневой машине, содержащей цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с пазом, согласно изобретению в поршне на подшипниках размещена кольцевая траверса с беговыми роликами, расположенными в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, а вышеупомянутые тела вращения - ходовые ролики - установлены на поршне и расположены в прямолинейных пазах, выполненных продольно на внутренней поверхности цилиндра.

Главными отличительными особенностями такой поршневой машины являются следующие:

- на внутренней поверхности цилиндра выполнены прямолинейные продольные пазы, которых может быть, по меньшей мере, два и в которых расположены ходовые ролики, что предохраняет поршень от поворота относительно оси цилиндра, снижает работу трения из-за наличия у поршня только одной - возвратно-поступательной - составляющей движения, уменьшает механические потери и увеличивает общий (эффективный) КПД двигателя;

- в поршне размещена кольцевая траверса, на которой укреплены подшипники, находящиеся в бобышках поршня, и беговые ролики, расположенные в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, что упрощает конструкцию двигателя, уменьшает трудоемкость и улучшает технологичность процессов монтажа и сборки его основных деталей, ведет к уменьшению затрат мощности на преодоление внутренних сопротивлений и к улучшению показателей работы двигателя.

Сущность изобретения (на примере двухтактного двигателя внутреннего сгорания) поясняется чертежами, на которых представлена конструктивная схема поршневой машины, где на фиг.1 изображен продольный разрез машины, на фиг.2 - ее поперечный разрез, на фиг.3 - схема перемещения беговых роликов в криволинейном замкнутом пазу выходного вала.

Поршневая машина (фиг.1, 2) содержит цилиндр 1 с гильзой 2, в которой расположен поршень 3; на внутренней поверхности цилиндра выполнены прямолинейные продольные пазы 4, в которых расположены установленные на боковой поверхности поршня ходовые ролики 5. В поршне размещена кольцевая траверса 6, на которой укреплены подшипники 7, находящиеся в бобышках поршня, и беговые ролики 8, расположенные в криволинейном замкнутом пазу 9, выполненном на поверхности выходного вала 10.

Принцип действия поршневой машины (на примере двухтактного двигателя внутреннего сгорания) заключается в следующем (фиг.1-3). В процессе сгорания и расширения газы (рабочее тело), находящиеся в цилиндре, побуждают поршень 1 к перемещению из внутреннего (относительно камеры сжатия и сгорания) крайнего положения в наружное. Ходовые ролики 5, установленные на боковой поверхности поршня, перемещаются в пазах 4 прямолинейно в продольном (относительно оси цилиндра) направлении, предохраняя поршень от проворачивания в цилиндре вокруг своей оси. При этом беговые ролики 8 перекатываются в пазу 9 из положений А, которые они занимали при нахождении поршня 1 во внутреннем крайнем положении, в положения Б, соответствующие нахождению поршня 1 в наружном крайнем положении, за счет чего выходному валу придается вращательное движение относительно оси цилиндра. В процессе дальнейшего движения поршня 1 (из наружного крайнего положения во внутреннее) ходовые ролики 5 перемещаются в пазах 4 в обратном направлении, а беговые ролики 8 перекатываются в пазу 9 из положений Б в положения В (они же А), обеспечивая тем самым непрерывность вращения выходного вала. Происходит процесс сжатия свежего заряда. В конце сжатия начинается процесс сгорания смеси, поступившей в цилиндр. В дальнейшем рассмотренные процессы циклически повторяются. Перемещение поршней из наружных крайних положений во внутренние обеспечивается за счет энергии маховых масс (или работы других цилиндров) поршневой машины.

Представленная схема поршневой машины обеспечивает следующие технические преимущества:

- пониженная работа трения из-за наличия у поршня только возвратно-поступательной составляющей движения, что уменьшает механические потери и увеличивает общий (эффективный) КПД двигателя;

- отсутствие необходимости в установке между поршнем и выходным валом предварительно сжатой пружины, что приводит к уменьшению затрат мощности на преодоление внутренних сопротивлений и к улучшению показателей работы двигателя;

- упрощение конструкции двигателя, уменьшение трудоемкости и улучшение технологичности процессов монтажа и сборки его основных деталей, а также существенное улучшение технико-экономических характеристик поршневой машины в целом.

Поршневая машина для преобразования энергии рабочего тела в механическую работу может быть использована в качестве двигателя внутреннего сгорания - источника механической энергии для транспортных машин и других мобильных и стационарных потребителей, насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства, а также детандера - устройства для редукции давления рабочего тела и производства механической работы.

Машина предназначена для использования в двигателестроении и насосо- и компрессоростроении в качестве двигателя внутреннего сгорания, насоса, компрессора или детандера. Машина содержит цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с пазом, при этом в поршне на подшипниках размещена кольцевая траверса с беговыми роликами, расположенными в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, а тела вращения - ходовые ролики - установлены на поршне и расположены в прямолинейных пазах, выполненных продольно на внутренней поверхности цилиндра. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, уменьшение внутренних потерь, повышение КПД. 3 ил.

Поршневая машина, содержащая цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с пазом, отличающаяся тем, что в поршне на подшипниках размещена кольцевая траверса с беговыми роликами, расположенными в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, а вышеупомянутые тела вращения - ходовые ролики установлены на поршне и расположены в прямолинейных пазах, выполненных продольно на внутренней поверхности цилиндра.