ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 2006 года по МПК F02B75/32 F01B9/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к машинам объемного сжатия, например двигатели внутреннего сгорания, компрессоры и насосы.

Известен двигатель внутреннего сгорания, описанный в патенте Российской Федерации №2046199, который был опубликован 20.10.92 года в бюллетене №29, МПК6 F 02 B 75/32, по которому преобразующий механизм поршневого двигателя содержит корпус, внутри которого размещены вал и механически связанный с поршнями кривошипный диск, имеющий с противоположной от поршней стороны опорную поверхность и зубчатое зацепление, входящие в контакт соответственно с опорной поверхностью и зубчатым зацеплением опорной подставки, жестко связанной с корпусом, причем опорная подставка выполнена в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью вала, и внутрь этого цилиндра введен выполненный на валу наклонный кривошип, на котором по скользящей посадке через колпаки с отверстиями установлен кривошипный диск.

Общие существенные признаки: механизм, включающий корпус, вал, который механически связан с поршнями, установленными в цилиндрах закрепленных в корпусе, а также механизм преобразования движения.

Причинами, которые мешают получить ожидаемый результат при использовании известного двигателя внутреннего сгорания, является то, что он имеет недостаточную технологичность и надежность, так как шатуны поршней должны с двух сторон иметь сферическое соединение; коленчатый вал с косым кривошипом является сложной и одной из самых дорогостоящих деталей двигателя, вал может быть расположен только параллельно осям цилиндров, а цилиндры - только по радиусу вокруг вала, что усложняет возможность скомпоновать двигатель в конкретном агрегате; зубчатое зацепление, без которого механизм будет неработоспособным, понижает надежность и ресурс, а также повышает шумность работы.

Наиболее близким по технической сути к заявленному изобретению является двигатель внутреннего сгорания, описанный по патенту Российской Федерации №2046197, который был опубликован 20.10.95 года в бюллетене №29, МПК6 F 02 B 75/32 автора Власова А.Н. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий два параллельных друг другу цилиндра, установленные в цилиндрах поршни, систему газообмена, средства подачи и поджига топлива и вал, расположенный между цилиндрами и имеющий наклонный кривошип, на котором по скользящей посадке установлена кривошипная головка, а в плоскости расположения цилиндров установлено коромысло с полостью в центральной части, внутри которой размещена кривошипная головка, механически связанная с коромыслом, а на внешних боковых поверхностях коромысла выполнены полуоси, которые вставлены в выполненные в несущих пластинах отверстия, имеющие общую линию симметрии, совмещенную с точкой пересечения осей вала и наклонного кривошипа. Концы коромысла механически связаны с поршнями шатунами, а несущие пластины жестко связаны с цилиндрами. Внутренняя полость коромысла связана с кривошипной головкой посредством закрепленных на коромысле штырей, оси которых совмещены между собой и с точкой пересечения осей вала и наклонного кривошипа. В цилиндрах выполнены проточки в которые вставлены коромысла и проточки закрыты сферическими заслонами. Также имеется идентичное коромысло, с помощью которого поршни механически связаны с валом через дополнительный кривошип, наклоненный в противоположную сторону по отношению к кривошипу, который описан выше.

Общими существенными признаками является то, что поршневая машина включает систему газообмена, в корпусе шарнирно установленный вал, один и больше цилиндров, в каждом цилиндре установлен поршень, который механически взаимодействует с валом и механизмом преобразования движения, который имеет общую точку пересечения геометрических осей кинематических пар на оси вала.

Известное техническое решение имеет существенные недостатки. Причинами, которые препятствуют получению ожидаемых результатов при использовании известного двигателя внутреннего сгорания, являются: технологическая сложность потому, что известный двигатель имеет коленчатый вал с косыми кривошипами, на котором с возможностью вращения расположены кривошипные головки, а коленчатый вал является технологически сложной и одной из самых дорогостоящих деталей двигателя; недостаточная технологичность и надежность, так как шатуны поршней соединены с коромыслами, которые вставлены в проточки выполненные в цилиндрах и выполняют направляющие функции, эти проточки закрыты сферическими заслонами, которые в совокупности усложняют конструкцию и повышают потери на трение; вал может быть расположен только параллельно осям цилиндров, что усложняет компоновку двигателя в конкретном агрегате, а, например, оппозитное расположение поршней оставляет возможность сделать только узконаправленный агрегат, по той же причине невозможно его использование в качестве компрессора, невозможно уменьшить габариты кривошипной головки, так как увеличивается удельная нагрузка на шарнирное соединение и приводит к уменьшению ресурса работы кинематической пары «косой кривошип - кривошипная головка».

В основу изобретения поставлена задача изготовить поршневую машину, технологичную в изготовлении, надежную и экономичную в эксплуатации, с хорошей уравновешенностью подвижных частей, с возможностью удобной компоновки в разнообразных агрегатах, с минимальными габаритами и весом, для чего поршневая машина включает систему газообмена, в корпусе установлен вал, один и более цилиндров, в каждом цилиндре установлен поршень, который механически взаимодействует с валом и механизмом преобразования движения, который имеет общую точку пересечения геометрических осей кинематических пар на оси вала. Первый вал, который взаимодействует механически с поршнем, шарнирно соединен осью, перпендикулярной осевой линии первого вала с поводковым элементом, на котором имеется цапфа, которая шарнирно соединена с торцевым элементом на валу отбора мощности, шарнирно закрепленном в корпусе перпендикулярно первому валу.

Механизм преобразования движения выполнен симметричным относительно точки пересечения осей, а именно: на поводковом элементе имеется вторая цапфа, с которой шарнирно соединен еще один вал с торцевым элементом, установленный шарнирно в корпусе соосно с валом отбора мощности.

Для механического взаимодействия с поршнями на первом валу закреплены рычаги, которые шарнирно соединены с шатунами, шарнирно соединенными с поршнями. Каждый рычаг выполнен двуплечим и каждое плечо соединяется с двумя шатунами, которые соединены с поршнями в противоположно расположенных цилиндрах.

Угол между осью, перпендикулярной первому валу, и рычагом в плоскости, перпендикулярной оси первого вала, задается от 0° до 360°.

Возможен вариант, когда для взаимодействия с поршнями на первом валу закреплено зубчатое колесо, которое входит в зацепление с не менее чем одной зубчатой рейкой, которая закреплена в корпусе с возможностью продольного движения и соединена не менее чем с одним поршнем.

Что дает возможность изготовить двигатель внутреннего сгорания, компрессор или насос, которые имеют высокий коэффициент полезного действия, так как механизм преобразования движения не имеет напряженных узлов с повышенными потерями на трение, а расположение рычагов на первом валу, который колеблется относительно своей оси на угол приблизительно ±45°, при котором шатуны отклоняются от направления оси цилиндра на угол порядка ±5°, что приводит к выгодной раскладке сил, которые действуют в узлах, и значительному уменьшению сил трения в паре «поршень-цилиндр», и позволяет уменьшить длину и массу поршня. Технологичность, уменьшенные габариты и массу устройства обеспечивает замена коленчатого вала описанным механизмом преобразования движения, так как коленчатый вал является одной из самых сложных и дорогостоящих деталей двигателя, и вдобавок расточка коленчатого вала с косым кривошипом является довольно сложной технологической проблемой. Возможность развернуть вал отбора мощности в любом необходимом направлении относительно цилиндров позволяет, при наиболее выгодном расположении блока цилиндров, удобно расположить элементы трансмиссии для ДВС или привода для насоса, компрессора, а также навесного оборудования ДВС на втором валу отбора мощности. Уже при выполнении четырехцилиндровой поршневой машины, с конструкцией по изобретению, имеется возможность обеспечить роботу любого из цилиндров в своем такте, например, для четырехтактного двигателя, это обеспечивает уравновешенность и равномерную передачу усилий от поршней на вал отбора мощности и дает возможность уменьшить массу маховика.

Существенными признаками является то, что поршневая машина включает систему газообмена, в корпусе машины шарнирно установлен вал, один и больше цилиндров, в каждом цилиндре установлен поршень, который механически взаимодействует с валом и механизмом преобразования движения, который имеет общую точку пересечения геометрических осей кинематических пар на оси вала. Первый вал взаимодействует механически с поршнем и шарнирно соединен осью, которая перпендикулярна осевой линии первого вала с поводковым элементом на котором имеется цапфа, которая шарнирно соединена с торцевым элементом на валу отбора мощности, который шарнирно закреплен в корпусе перпендикулярно первому валу. Механизм преобразования движения выполнен симметричным относительно точки пересечения осей, а именно на поводковом элементе имеется вторая цапфа, с которой шарнирно соединен еще один вал отбора мощности с торцовым элементом, который шарнирно установлен в корпусе соосно с валом отбора мощности. Для механического взаимодействия с поршнями на первом валу закреплены рычаги, которые шарнирно соединены с шатунами, которые шарнирно соединены с поршнями. Каждый рычаг выполнен двуплечим и соединяется с двумя шатунами, которые соединенные с поршнями в противоположно расположенных цилиндрах. Угол между осью, перпендикулярной осевой линии первого вала и рычагом в плоскости перпендикулярной оси первого вала, задается от 0° до 360°. Также возможно, когда для взаимодействия с поршнями на первом валу закреплено зубчатое колесо, которое входит в зацепление по меньшей мере с одной зубчатым рейкой, которая закреплена в корпусе с возможностью продольного движения и соединенная, по меньшей мере, с одним поршнем.

В отличие от прототипа первый вал взаимодействует механически с поршнем и шарнирно соединен осью перпендикулярной осевой линии первого вала с поводковым элементом, на котором имеется цапфа, которая шарнирно соединена с торцовым элементом на валу отбора мощности, который шарнирно закреплен в корпусе перпендикулярно первому валу. Механизм преобразования движения выполнен симметричным относительно точки пересечения осей, а именно на поводковом элементе имеется вторая цапфа, с которой шарнирно соединен еще один вал отбора мощности с торцовым элементом, который шарнирно установлен в корпусе соосно с ранее указанным валом отбора мощности. Для механического взаимодействия с поршнями на первом валу закреплены рычаги, которые шарнирно соединены с шатунами которые шарнирно соединены с поршнями. Каждый рычаг выполнен двуплечим и соединяется с двумя шатунами, которые соединены с поршнями, находящимися в противоположно расположенных цилиндрах. Угол между осью перпендикулярной осевой линии первого вала и рычагом в плоскости перпендикулярной оси первого вала задается от 0° до 360°. Также благодаря колебательному движению первого вала возможна конструкция, в которой для механического взаимодействия с поршнями на первом валу закреплено зубчатое колесо, которое входит в зацепление по меньшей мере одной зубчатой рейкой, которая закреплена в корпусе с возможностью продольного движения и соединена не менее чем с одним поршнем.

Достаточным во всех случаях является то, что устройство включает первый вал, который взаимодействует механически с поршнем и шарнирно соединен осью, перпендикулярной осевой линии первого вала с поводковым элементом, на котором имеется цапфа, которая шарнирно соединена с торцевым элементом на валу отбора мощности, шарнирно закрепленном в корпусе перпендикулярно первому валу.

Достаточными признаками в отдельных случаях является то, что механизм преобразования движения выполнен симметричным относительно точки пересечения осей, а именно: на поводковом элементе имеется вторая цапфа, с которой шарнирно соединен еще один вал с торцовым элементом, который шарнирно установлен в корпусе соосно с валом отбора мощности. Также то, что для механического взаимодействия с поршнями на первом валу закреплены рычаги, которые шарнирно соединены с шатунами, которые шарнирно соединены с поршнями. Каждый рычаг выполнен двуплечим, и каждое плечо соединяется с двумя шатунами, шарнирно соединенными с поршнями в противоположно расположенных цилиндрах. Также то, что угол между осью, перпендикулярной осевой линии первого вала и рычагом в плоскости, перпендикулярной оси первого вала, задается от 0° до 360°. Также то, что для механического взаимодействия с поршнями на первом валу закреплено зубчатое колесо, которое входит в зацепление с не менее чем одной зубчатой рейкой, которая закреплена в корпусе с возможностью продольного движения и соединена не менее чем с одним поршнем.

На фиг.1 изображена поршневая машина в разрезе по первому валу;

На фиг.2 изображена поршневая машина в разрезе по рычагу, вид А;

На фиг.3 изображен горизонтальный разрез Б-Б, вид сверху;

На фиг.4 изображен разрез В-В;

На фиг.5 изображена поршневая машина в разрезе по рычагу (вариант);

На фиг.6 изображена поршневая машина в разрезе по первому валу (вал отбора мощности расположен параллельно осям цилиндров).

На фиг.7 изображена поршневая машина в разрезе, при выполнении зубчато-реечной передачи между первым валом и поршнями.

Поршневая машина включает корпус 1, в корпусе 1 шарнирно установлен первый вал 2, и цилиндры 3, в каждом цилиндре установлены поршни 4, которые шарнирно осью 5 соединены с шатунами 6, а шатуны 6 шарнирно осью 7 соединены с двуплечими рычагами 8, которые закреплены на валу 2. На валу 2 закреплена перпендикулярно осевой линии вала ось 9. На оси 9 шарнирно закреплен поводковый элемент 10, на котором есть цапфы 11 и 12, которые шарнирно соединены с торцевыми элементами 13 и 14 на валах отбора мощности 15 и 16, которые шарнирно закреплены в корпусе 1 перпендикулярно первому валу 2. Геометрические оси валов 2, 15, 16, цапф 11, 12 и оси 9 имеют общую точку пересечения.

На фиг.5 показана конструкция, в которой рычаги 8 соединяется шарнирно осью 7 каждым плечом с двумя шатунами 6 и 17, которые соединены с поршнями в противоположно расположенных цилиндрах.

Валы отбора мощности 15, 16 с торцовыми элементами 13 и 14 располагаются в любом направлении относительно оси цилиндров в плоскости, перпендикулярной оси первого вала 2. Направление расположения валов задается углом расположения оси 9 относительно рычагов 8 в плоскости, перпендикулярной валу 2. На фиг.3 показано расположение валов 15, 16 перпендикулярно к оси цилиндров, а на фиг.5 показано, как валы располагаются параллельно оси цилиндров.

На фиг.7 показана конструкция поршневой машины, при которой поршни 4 соединены с зубчатыми рейками 18, которые входят в зацепление с зубчатым колесом 19, закрепленном на валу 2. Рейка 18 контактирует с роликовой опорой 20, закрепленной в корпусе 1.

Предложенная поршневая машина, работает так: при вращении вала 15 или 16 торцевые элементы 13, 14 за цапфы 11, 12 поворачивают поводковый элемент 10, который на валу 2 через ось 9 создает колебательное движение, при котором угол поворота вала 2 ограничен углом расположение отверстия под цапфы в торцовых элементах 13, 14 относительно геометрической оси валов 15, 16 с вершиной в общей точке пересечения геометрических осей механизма преобразование движения. Колебательное движение вала 2 через двуплечие рычаги 8, шатуны 6 (при закреплении двух шатунов на каждом плече, еще 7) передается на поршни 4, которые перемещаются в цилиндрах от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ).

Если поршневая машина используется в качестве компрессора или насоса, то при перемещении поршня цилиндра в направления ВМТ открывается выпускной клапан, а при перемещении в направления НМТ - впускной клапан соответственно с общепринятой в технике схемой.

Если поршневая машина используется в качестве двигателя внутреннего сгорания, то циклические возвратно-поступательные перемещения поршней 4 в цилиндрах 3 через шатуны и рычаги 8 передают энергию расширения газов при рабочем ходе на первый вал 2, который осуществляет колебательное движение и осью 9 приводит в движение поводковый элемент 10, который цапфами 11, 12 приводит во вращательное движение валы 15, 16.

Система механизма газораспределения подает рабочую смесь и выпускает отработанные газы соответственно со схемой, которая не отличается от общепринятой в технике. Для обеспечения равномерной работы поршневой машины порядок работы цилиндров в четырехтактном четырехцилиндровом двигателе, например, C-D-E-F (см.фиг.3).

При выполнении механического взаимодействия первого вала с поршнями с помощью зубчатого зацепления (см.фиг.7) зубчатое колесо 19 делает колебательные движения, которые задаются рейками 18 благодаря циклическому возвратно-поступательному перемещению поршней 4, первый вал 2, который приводится в движение зубчатым колесом 19, осуществляет колебательные движения и осью 9 приводит в движение поводковый элемент 10, который цапфами 11, 12 приводит во вращательное движение валы 15, 16 (см.фиг.4).

Таким образом, поршневая машина по изобретению технологична в изготовлении, имеет уменьшенные габариты и массу, а также высокий коэффициент полезного действия, так как механизм преобразования движения простой по конструкции, не имеет напряженных узлов с повышенными потерями на трение, а расположение рычагов на первом валу, который колеблется относительно своей оси на угол приблизительно ±45° разрешает шатунам отклоняться от оси цилиндра на угол порядка ±5°, что приводит к выгодной раскладке сил, которые действуют в узлах и значительному уменьшению сил трения в паре «поршень-цилиндр» и позволяет уменьшить длину и массу поршня. Двойное изменение направления силы, перпендикулярной оси цилиндра в паре «поршень-цилиндр» на протяжении каждого цикла, обеспечивает надежное смазывание зеркала цилиндра, которое обеспечивает повышение ресурса и дополнительное снижение сил трения. Конструктивная возможность развернуть вал отбора мощности в любом направлении позволяет, при наиболее выгодном расположении блока цилиндров, удобно расположить элементы трансмиссии для ДВС или привода для насоса и компрессора, навесного оборудования, а также дополнительным валом отбора мощности соединять несколько блоков описанной поршневой машины в агрегат при необходимом и удобном расположении блоков. Четырехцилиндровая поршневая машина, с конструкцией по изобретению, как наиболее оптимальный вариант, имеет двухрядное расположение цилиндров, которые конструктивно возможно расположить как параллельно, так и под необходимым углом между собою без снижения технических характеристик.

Машина может быть использована в машиностроении, в частности в качестве двигателя внутреннего сгорания, компрессора или насоса. Машина содержит корпус, в котором шарнирно установлены два вала отбора мощности; в каждом цилиндре установлен поршень, связанный первым валом и механизмом преобразования движения, который имеет общую точку пересечения геометрических осей кинематических пар на оси вала. Первый вал шарнирно соединен осью, перпендикулярной его осевой линии, с поводковым элементом, имеющим цапфу, шарнирно соединенную с торцевым элементом на одном из валов отбора мощности. Изобретение позволяет развернуть вал отбора мощности в любом направлении, наиболее выгодно расположить блоки цилиндров и элементы трансмиссии, что обеспечивает уменьшение габаритов и высокий КПД. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Поршневая машина, включающая систему газообмена, в корпусе которой установлен вал, один и более цилиндров, в каждом цилиндре установлен поршень, который механически взаимодействует с валом и механизмом преобразования движения, который имеет общую точку пересечения геометрических осей кинематических пар на оси вала, отличающаяся тем, что первый вал, который взаимодействует механически с поршнем и шарнирно соединен осью, перпендикулярной осевой линии первого вала, с поводковым элементом, на котором имеется цапфа, которая шарнирно соединена с торцевым элементом на валу отбора мощности, шарнирно закрепленном в корпусе перпендикулярно первому валу.2. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что механизм преобразования движения выполнен симметричным относительно точки пересечения осей, а именно на поводковом элементе имеется вторая цапфа, с которой шарнирно соединен еще один вал отбора мощности с торцевым элементом, установленный шарнирно в корпусе соосно с другим валом отбора мощности.3. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что для механического взаимодействия с поршнями на первом валу закреплены рычаги, которые шарнирно соединены с шатунами, шарнирно соединенными с поршнями.4. Поршневая машина по п.3, отличающаяся тем, что каждый рычаг выполнен двуплечим и каждое плечо соединяется с двумя шатунами, которые соединены с поршнями в противоположно расположенных цилиндрах.5. Поршневая машина по п.3, отличающаяся тем, что угол между осью, перпендикулярной первому валу, и рычагом в плоскости, перпендикулярной оси первого вала, задается от 0 до 360°.6. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что для взаимодействия с поршнями на первом валу закреплено зубчатое колесо, которое входит в зацепление с не менее чем одной зубчатой рейкой, которая закреплена в корпусе с возможностью продольного движения и соединена не менее чем с одним поршнем.