СВОБОДНОПОРШНЕВОЙ МОТОКОМПРЕССОР Российский патент 2008 года по МПК F02B71/06 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании мотокомпрессора со свободнодвижущимися поршнями различного назначения.

Известны серийно выпускаемые газомотокомпрессоры, например 10ГКН или 10ГКМ, состоящие из десятицилиндрового V-образного двухтактного поршневого газового двигателя внутреннего сгорания и горизонтального пятирядного крейцкопфного поршневого компрессора (Каталог-справочник НИИИНФОРМТЯЖМАШ. Дизели, газовые двигатели, 1968 г., с.188-198).

Недостатком этих мотокомпрессоров являются сложность конструкции и эксплуатации, а также неуравновешенность сил инерции, требующая применения мощного фундамента, высокий удельный вес (45-65 кг/л.с.) и высокая трудоемкость в изготовлении.

Известны различные конструкции двигателей-компрессоров со свободнодвижущимися поршнями (СПДК), в которых двигатель внутреннего сгорания совмещен с компрессором (Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности: Двигатели внутреннего сгорания. / Д.Н.Вырубов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - 4-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983, с.293-295).

СПДК компактны, динамически могут быть полностью уравновешены.

Недостатком СПДК является ограничение мощности компрессора из-за наличия только одного цилиндра двигателя.

Известен свободнопоршневой двигатель-компрессор (патент РФ №2115023, 6 F04В 31/00, 1977 г.), имеющий один цилиндр двигателя с прямоточной щелевой продувкой и двумя поршнями, движущимися во взаимно противоположных направлениях. Управление движением поршней осуществляется через механизм синхронизации, состоящий из одной шестерни, входящей в зацепление с двумя зубчатыми рейками, соединенными с поршнями двигателя по одной на каждый поршень.

Такой двигатель-компрессор компактен и может быть полностью динамически уравновешен.

Недостатком его является ограничение мощности компрессора из-за наличия только одного цилиндра двигателя.

Наиболее близким по технической сущности является двигатель-компрессор (патент РФ №2128781, 6 F02В 71/06, 1996 г.), содержащий соосно размещенные в едином блоке один цилиндр поршневого компрессора и два цилиндра двигателя внутреннего сгорания, работающих поочередно, каждый из которых содержит форсунку, свечу зажигания и свободнодвижущийся в цилиндрической полости поршень, связанный с поршнем компрессора, а также впускные и выпускные патрубки. Поршневой компрессор размещен между двигателями внутреннего сгорания и отделен от них с двух сторон разделительными перегородками. Перегородки снабжены отверстиями по оси, куда заключен шток, к концам которого прикреплены поршни двигателей, а к средней части штока прикреплен поршень компрессора, при этом на боковой поверхности цилиндра компрессора образован сквозной продольный паз, куда заключен управляющий шток в виде консоли, прикрепленный к поршню компрессора. Поршень компрессора выполнен в виде цилиндра с двумя противоположно направленными относительно плоскости симметрии полостями, при этом двигатели внутреннего сгорания содержат у основания впускные и выпускные патрубки, снабженные клапанами.

Недостатком этих двигателей-компрессоров является динамическая неуравновешенность, требующая наличия фундамента, и ограниченные возможности по количеству ступеней компрессора.

Задачей настоящего изобретения является создание высокоэффективного свободнопоршневого мотокомпрессора упрощенной конструкции, легкого в эксплуатации, с необходимым количеством ступеней компрессора, уменьшение удельного веса мотокомпрессора, снижение трудоемкости при его изготовлении, увеличение КПД и уменьшение или отсутствие фундамента.

Для решения этой задачи предложен свободнопоршневой мотокомпрессор, состоящий из 2-12 блоков цилиндров, закрепленных на общей раме и содержащих по одному цилиндру поршневого компрессора и двухтактного двигателя внутреннего сгорания, обращенному к центру, которые расположены по осевым линиям, лежащим в одной плоскости и пересекающимся в одной точке - центре, а поршни всех блоков взаимосвязаны между собой механизмом синхронизации, содержащим штоки, жестко соединяющие поршни двигателя и компрессора, с шарнирно закрепленными на них траверсами, к которым присоединены шарнирно по две зубчатые рейки, входящие в зацепление с двумя шестернями синхронизатора.

Двигатели могут быть бензиновыми, или газовыми, или дизельными, а поршневой компрессор (в дальнейшем - компрессор) может быть одноступенчатым или многоступенчатым с поршнями простого или двойного действия, а также с дифференциальными поршнями.

Охлаждение цилиндров двигателей и компрессоров может быть жидкостным, или воздушным, или комбинированным

На фиг.1 представлен свободнопоршневой мотокомпрессор, на фиг.2 - блок цилиндров двигателя и компрессора, на фиг.3 - синхронизатор, на фиг.4 - схема динамического расчета, на фиг.5 - план сил инерции.

Принципиальная схема свободнопоршневого мотокомпрессора, состоящего из восьми блоков цилиндров, изображена на фиг.1. Свободнопоршневой мотокомпрессор содержит раму 1, на которой по осевым линиям, лежащим в одной плоскости и пересекающимся в одной точке - центре - расположены блоки цилиндров, состоящие из цилиндра двигателя 2, расположенного камерой сгорания 10 к центру, и цилиндра компрессора 3. Поршни двигателя 4 и компрессора 5 всех блоков взаимосвязаны между собой механизмом синхронизации 9. Поршни двигателя 4 и поршни компрессора 5 жестко соединены штоками 6. На каждом штоке шарнирно закреплена траверса 7. К каждой траверсе присоединены шарнирно по две зубчатые рейки 8, входящие в зацепление с шестернями синхронизатора 9.

Блок цилиндров (фиг.2) состоит из цилиндра двигателя 2 и цилиндра компрессора 3. В верхней части цилиндра двигателя расположена камера сгорания 10, запальная свеча для воспламенения горючей смеси 11 или форсунка для впрыска топлива 12 и клапан для подачи сжатого воздуха при запуске двигателя 13.

Нижняя часть цилиндра двигателя закрыта крышкой 14, имеющей уплотнительное устройство 15, через которое проходит шток 6. Цилиндр двигателя имеет впускные окна 16, продувочные окна 17, соединенные каналом 18 с полостью под поршнем, и выпускные окна 19.

В цилиндре компрессора 3 имеются всасывающие клапаны 20, нагнетательные 21 и уплотнительное устройство 22, через которое проходит шток 6, жестко соединяющий поршни двигателя и компрессора.

Синхронизатор (фиг.3) состоит из корпуса 23 и двух шестерен 24 и 25, свободно вращающихся на общей оси 26. Траверсы 7 устанавливаются под разными углами к плоскости расположения цилиндров, что обеспечивает размещение зубчатых реек в разных уровнях и исключает контакт реек между собой.

Зубчатые рейки 8 должны входить в зацепление с шестернями механизма синхронизации 24 и 25 следующим образом: если правая зубчатая рейка входит в зацепление с шестерней 24, то левая должна входить в зацепление с шестерней 25. При движении поршня шестерни будут вращаться в противоположные стороны.

Свободнопоршневой мотокомпрессор должен быть собран следующим образом. Если условно пронумеровать блоки цилиндров, например, по часовой стрелке, то зубчатые рейки нечетных блоков цилиндров должны входить в зацепление с шестернями синхронизатора в положении поршней двигателя в верхней мертвой точке, а четных - в положении поршней двигателя в нижней мертвой точке. При движении поршни должны меняться местами

Свободнопоршневой двигатель-компрессор работает следующим образом.

Запуск двигателей осуществляют подачей сжатого воздуха поочередно то в четные, то в нечетные цилиндры двигателя через клапан 13.

При движении поршня двигателя 4 к верхней мертвой точке в полости под поршнем образуется разряжение и при открытии поршнем впускного окна 16 происходит всасывание горючей смеси или воздуха. При движении поршня двигателя к нижней мертвой точке в полости под поршнем двигателя происходит сжатие. При открытии поршнем выпускных окон 19 происходит выхлоп и при открытии поршнем продувочных окон 17 по каналу 18 происходит продувка и зарядка свежей горючей смесью или воздухом цилиндра двигателя 2. При движении поршня двигателя к верхней мертвой точке в цилиндре двигателя происходит сжатие и вблизи верхней мертвой точки подается напряжение на свечу зажигания 11 или впрыск топлива через форсунку 12. Происходит вспышка и поршень двигателя совершает рабочий ход. Четные и нечетные поршни двигателей совершают рабочий ход поочередно.

При движении поршня компрессора 5 в цилиндре компрессора 3 происходят всасывание газа через всасывающий клапан 20, сжатие и нагнетание газа через нагнетательный клапан 21.

Шарнирные соединения траверсы со штоком и зубчатых реек с траверсой обеспечивают одинаковую нагрузку на обе рейки и исключают появление внецентренных сил.

Предложенное техническое решение отличается простотой конструкции и высокой эффективностью, поскольку свободнопоршневой мотокомпрессор в зависимости от требуемой производительности может содержать любое количество заявленных блоков цилиндров.

Следует отметить, что один блок цилиндров неработоспособен, так как после совершения поршнем двигателя рабочего хода и достижения нижней мертвой точки энергии газа, заключенного в мертвом пространстве компрессора, недостаточно для возврата поршня двигателя в верхнюю мертвую точку. Дополнительную энергию для возврата в верхнюю мертвую точку поршень двигателя получает через синхронизатор и зубчатые рейки от других поршней двигателей, совершающих рабочий ход. Если же количество блоков сделать более заявленных 12, то такая конструкция будет слишком громоздкой.

Предложенная конструкция свободнопоршневого мотокомпрессора, содержащая 4, 6, 8, 10 или 12 блоков цилиндров, уравновешена по силам инерции, что позволяет отказаться от фундамента.

Свободнопоршневой мотокомпрессор состоит из 2, 3, 5, 7, 9 и 11 блоков цилиндров, которые не могут быть полностью уравновешены по силам инерции. Но эти силы сравнительно невелики и могут быть восприняты легким фундаментом.

В качестве примера проведем динамический расчет свободнопоршневого мотокомпрессора, состоящего из двух блоков цилиндров. Блоки цилиндров расположены по двум осевым линиям, пересекающимся в точке О (фиг.4). Если принять, что:

λ - угол между осевыми линиями;

μ₁ - масса движущихся частей блока цилиндров №1;

μ₂ - масса движущихся частей блока цилиндров №2,

а сила инерции равна произведению массы на ускорение I=μ·α, то, поскольку блоки цилиндров жестко связаны между собой механизмом синхронизации, есть основание полагать, что мгновенные скорости и ускорения одинаковы, но направлены в разные стороны:

α₁=-α₂.

Если предположить, что массы движущихся частей обоих блоков одинаковы (μ₁=μ₂), то силы инерции I₁=-I₂.

Поскольку силы инерции действуют вдоль осевых линий, то из векторной диаграммы (фиг.5) имеем:

∑I=(I₁+I₂)sinλ/2; при λ=30° ∑I=0,259(I₁+I₂); при λ=45° ∑I=0,383(I₁+I₂).

Для остальных мотокомпрессоров с нечетным количеством блоков цилиндров неуравновешенная сила инерции будет равна массе движущихся частей одного блока цилиндров, умноженная на ускорение - I=μ·α, и их фундамент составит ˜10% от фундамента мотокомпрессоров типа 10ГКН и 10ГКМ.

Свободнопоршневой мотокомпрессор может поставляться как в виде набора блоков для сборки на месте эксплуатации, так и в контейнерном исполнении в полной заводской готовности к эксплуатации.

Следует отметить, что предложенная конструкция исключает из состава мотокомпрессора кривошипно-шатунный механизм. Это позволяет уменьшить удельный вес мотокомпрессора ˜ в 2 раза, снизить трудоемкость в его изготовлении ˜ в 2 раза и увеличить КПД на 8-10% по сравнению с мотокомпрессорами типа 10ГКМ и 10ГКН.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании мотокомпрессора со свободнодвижущимися поршнями различного назначения. Свободнопоршневой мотокомпрессор состоит из 2-12 блоков цилиндров, закрепленных на общей раме 1 и содержащих по одному цилиндру двухтактного двигателя внутреннего сгорания 2 и поршневого компрессора 3, которые расположены по осевым линиям, лежащим в одной плоскости и пересекающимся в одной точке. Поршни всех блоков взаимосвязаны между собой механизмом синхронизации, который содержит штоки 6, жестко соединяющие поршни двигателя 4 и компрессора 5. На штоках шарнирно закреплены траверсы 7, к которым присоединены шарнирно по две зубчатые рейки 8, входящие в зацепление с двумя шестернями синхронизатора 9. Изобретение обеспечивает уменьшение удельного веса мотокомпрессора и снижение трудоемкости его изготовления, а также увеличение КПД на 8-10%. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Свободнопоршневой мотокомпрессор, содержащий цилиндры двухтактного двигателя внутреннего сгорания и поршневого компрессора, устройство для подачи топлива в цилиндр двигателя, включающее форсунку, свечу зажигания и свободно движущийся в цилиндрической полости поршень, связанный с поршнем компрессора, а также впускные и выпускные патрубки, всасывающие и нагнетательные клапаны, отличающийся тем, что он состоит из 2-12 блоков цилиндров, закрепленных на общей раме и содержащих по одному цилиндру поршневого компрессора, и двухтактного двигателя внутреннего сгорания, обращенного к центру, которые расположены по осевым линиям, лежащим в одной плоскости и пересекающимся в одной точке - центре, а поршни всех блоков взаимосвязаны между собой механизмом синхронизации, содержащим штоки, жестко соединяющие поршни двигателя и компрессора, с шарнирно закрепленными на них траверсами, к которым присоединены шарнирно по две зубчатые рейки, входящие в зацепление с двумя шестернями синхронизатора.2. Свободнопоршневой мотокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что двухтактные двигатели внутреннего сгорания могут быть бензиновыми, или газовыми, или дизельными, а поршневой компрессор может быть одноступенчатым или многоступенчатым с поршнями простого или двойного действия, а также с дифференциальными поршнями.3. Свободнопоршневой мотокомпрессор по п.2, отличающийся тем, что охлаждение цилиндров двухтактных двигателей внутреннего сгорания и поршневого компрессора может быть жидкостным, или воздушным, или комбинированным.