УСТРОЙСТВО ПОРШНЕВОЙ МАШИНЫ И СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ЕЕ РАБОЧЕГО ОБЪЕМА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА Российский патент 2009 года по МПК F01B15/00 F01L7/06 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в различных областях промышленности и сельского хозяйства преимущественно в качестве двигателей внутреннего сгорания, а также может быть использовано в качестве насосов и компрессоров, работающих от внешнего привода.

В нижеприведенном тексте описание поршневой машины (ПМ) будет приведено в основном на примере описания устройства двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известны ДВС с термодинамическим циклом Отто или Дизеля, в которых прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, которое затем передается другим устройствам, например насосам или электрогенераторам. Из-за большого количества узлов трения в этих двигателях происходит значительное снижение КПД, кроме того, конструкция таких двигателей является достаточно сложной, а в отработанных (выхлопных) газах присутствует значительное количество вредных примесей.

Из класса роторно-поршневых машин наиболее известным является двигатель внутреннего сгорания (ДВС) Ванкеля [«Автомобиль». А.И.Островцев, М.: Машиностроение, 1976, с.28; «Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и карбюраторных двигателей». А.С.Орлин, М.Г.Круглов, 3-е издание, М.: Машиностроение, 980, 288 с.]. ДВС Ванкеля содержит трехгранный ротор, установленный на кулачковой дисковой опоре, которая жестко связана с валом двигателя, и вращающийся с помощью внутреннего зубчатого зацепления. При этом ротор разделяет внутреннюю часть корпуса на три полости, в каждой из которых осуществляется термодинамический цикл, а со стороны граней ротора и боковой поверхности корпуса установлены уплотнительные элементы. Преимуществом ДВС Ванкеля является относительно простая конструкция, меньшее количество деталей и хорошая балансировка. Однако недостатком является небольшой крутящий момент на валу отбора мощности, увеличенный по сравнению с другими поршневыми ДВС расход топлива и масла, высокая токсичность выхлопных газов.

Известна поршневая машина с вращающимся цилиндром [RU 2293186, F01B 13/06, 2002], в которой поршень расположен с возможностью вращения вместе с роторным корпусом на 360 градусов вокруг контура. Давление, действующее на поршень, который связан с контуром, действует также и на роторный корпус, что приводит к вращательному движению роторного корпуса вокруг контура. Одновременно за счет взаимодействия контура с поршнем, при движении блока цилиндра вокруг контура, происходит управление возвратно-поступательным движением поршня. Это управление реализует рабочие такты поршневой машины. Вместе с положительными характеристиками у такой ПМ (повышенный крутящий момент, уменьшение вредных выбросов) имеются такие недостатки, как сложность конструкции, быстрый износ деталей, взаимодействующих с контуром, и самого контура.

Известен ДВС с оппозитными поршнями [RU 2136925, F02В 59/00, 1997], в котором цилиндры (рабочие камеры) и поршни движутся в корпусе навстречу друг другу с помощью кривошипов, при этом наружные поверхности цилиндров и внутренние поверхности корпуса выполнены плоскими, а впуск топлива и выпуск отработанных газов производят через боковые поперечные отверстия в цилиндрах и корпусе. Достоинствами такой конструкции являются низкий уровень вибраций, компактность. Однако в такой машине к силам трения между цилиндром и поршнем добавляются значительные силы трения между плоскими поверхностями цилиндра и корпуса, что приводит к более быстрому износу взаимодействующих деталей. Кроме того, силы трения уменьшают КПД такого ДВС.

За прототип, по наибольшему количеству общих признаков, принят четырехтактный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания [SU 1838644, A3, F02В 57/00, 1990]. Этот двигатель содержит цилиндрический корпус (статор) с торцовыми крышками, внутри которого неподвижно закреплен зубчатый венец внутреннего зацепления, находящийся в зацеплении с ведущими шестернями, закрепленными соосно с кривошипами. Кривошипы вставлены в цилиндры, а цилиндры, образующие крестовину, состыкованы в единое целое - ротор. В центре крестовины выполнены сквозные каналы для впуска топлива и выпуска отработанных газов. Внутри крестовины вставлен с уплотнением отполированный газораспределительный цилиндрический стакан, в котором отверстия для впуска топлива в цилиндры (рабочие камеры) и выпуска отработанных газов соединяются с соответствующими каналами только в момент определенного такта. Отбор мощности производится через центральный вал, жестко связанный с ведомой шестерней. Этот двигатель проще по конструкции и обладает более высокой надежностью по сравнению с известными двигателями аналогичного типа. Однако существенными недостатками являются низкий КПД, небольшой крутящий момент на валу отбора мощности, быстрый износ клапанного устройства, высокая токсичность отработанных газов.

Целью настоящего изобретения является создание поршневой машины, конструкция которой является более простой, КПД которой выше, чем у прототипа, область применения шире и в которой улучшены экологические характеристики.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание такой ПМ, в которой преобразование прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала и наоборот осуществляется с минимальным трением и, как следствие этого, с минимальным износом, а также надежно обеспечивается синхронизация всех узлов и деталей ПМ.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание конструкции простого с минимальным износом клапанного устройства для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов.

Согласно изобретению поставленная цель осуществляется за счет признаков, приведенных в пункте 1 формулы изобретения.

Поршневая машина, содержащая, по меньшей мере, один блок, включающий, по меньшей мере, одну элементарную ячейку, которая содержит установленную с помощью подшипников в полом цилиндрическом корпусе поршневой машины рабочую камеру (цилиндр) с возможностью ее вращения относительно корпуса одновременно с движением поршня, который соединен с кривошипом с помощью шатуна и придает вращение кривошипу, а на осях кривошипа установлены шестерни, одна из которых жестко закреплена на оси кривошипа и обеспечивает вращение рабочей камеры, отличается тем, что рабочая камера (цилиндр) установлена с возможностью ее вращения относительно поршня и корпуса одновременно с прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня, а на осях кривошипа, оси которого закреплены в корпусе, установлены шестерни, входящие в зацепление с торцовым зубчатым венцом, одна из которых ограничена в продольном перемещении и свободно вращается на оси кривошипа, зубчатый венец либо выполнен заодно с рабочей камерой, либо выполнен в виде отдельной шестерни и неподвижно закреплен на торце рабочей камеры, который обращен в сторону кривошипа, при этом шестерни, вращаясь в противоположных направлениях, создают направленное движение масляного потока с возможностью охлаждения и смазки подшипников, стенок рабочей камеры, корпуса поршневой машины и возможностью теплообмена с поверхностью змеевика с охлаждающей жидкостью, который установлен внутри корпуса, а на противоположном торце рабочей камеры и крышке корпуса расположены керамические пластины с плоскопараллельными и полированными поверхностями контакта, образующие клапанное устройство, которое содержит выпускное и направленное под углом к торцу поршня и в направлении вращения рабочей камеры впускное отверстия, которые расположены по концентрическим окружностям керамических пластин и совмещаются в моменты времени, в соответствии с тактами термодинамического цикла, керамические пластины на торце рабочей камеры жестко закреплены через уплотнения, при этом либо керамические пластины на крышке корпуса жестко закреплены через уплотнения, либо торцовые крышки на корпусе поршневой машины изготовлены из керамики заодно с керамическими пластинами, либо одна из керамических пластин клапанного устройства закреплена во втулке, которая установлена с возможностью поворота ее вокруг оси и перемещения в осевом направлении относительно торцовой крышки корпуса с возможностью регулирования усилия прижатия керамических пластин, кроме того, по центру клапанного устройства выполнено отверстие, в котором через уплотнения установлена свеча зажигания.

На осях кривошипа в корпусе поршневой машины установлены герметичные вводы вращения.

На оси кривошипа могут быть установлены лопасти, имитирующие работу центробежного насоса, а на колене кривошипа выполнены продольные канавки для смазки вкладыша.

В корпусе установлен змеевик, а на змеевике установлен термодатчик контроля температуры охлаждающей жидкости и регулятор ее расхода.

На внешней поверхности рабочей камеры выполнены канавки в виде винтовой резьбы с прямоугольным или полукруглым сечением.

Керамические детали изготавливают из горячепрессованного карбида кремния или из горячеспеченного нитрида кремния.

Уплотнения керамических пластин выполнены из материалов с демпфирующими свойствами, например из отожженной меди.

В корпусе поршневой машины выполнены отверстия для охлаждения стенок вращающейся рабочей камеры принудительным или естественным воздушным потоком.

Конструкция выполнена в виде блока, одной из элементарных ячеек которого является насос или компрессор.

В соответствии с изобретением упрощается конструкция ДВС, детали конструкции достаточно просты в изготовлении, поскольку боковые стенки рабочей камеры (РК), поршня и корпуса имеют традиционное исполнение, т.е. профилированы по окружностям, и технология их изготовления является достаточно простой, а для их изготовления не требуются специальные и дорогостоящие материалы. В заявляемом устройстве уменьшено количество деталей, так в конструкции однопоршневого ДВС не более 20-ти основных деталей, а в двухпоршневом ДВС не более 30-ти основных деталей.

Использование нового принципа взаимодействия поршней с вращающимися РК (цилиндрами) позволяет уменьшить трение между наружной поверхностью поршней и внутренней поверхностью РК (известно по опыту вытаскивания гвоздя из доски с одновременным его поворотом вправо-влево). Это также влияет на повышение КПД ДВС и уменьшает износ деталей.

Применение термостойких керамических материалов для изготовления деталей рабочего объема и клапанного устройства ДВС позволяет проводить термодинамический цикл при более высоких температурах сгорания топливной смеси, что позволяет улучшить полноту сгорания топливной смеси, уменьшая при этом вредные примеси в выхлопных газах, и получить более высокий КПД.

Возможность сборки ДВС из нескольких элементарных ячеек и блоков позволяет варьировать конструктивными особенностями и мощностью ДВС в широком диапазоне, что способствует расширению области их применения и увеличению КПД. Достаточно просто и надежно решена синхронизация всех узлов и деталей ДВС. Все узлы и детали связаны в одну кинематическую схему через кривошипы, ведущие и ведомые (зубчатые венцы) шестерни.

В конструкции клапанного устройства используются пластины из износостойких керамических материалов, а поверхности их контакта выполнены плоскопараллельными и полированными, что обеспечивает надежное уплотнение по поверхности их контакта и минимальный износ. Клапанное устройство состоит всего из двух деталей с впускными и выпускными отверстиями, при этом исключается целая внешняя кинематическая цепь управления клапанами и механизмом газораспределения, нет связанных с ними перемещений, что также говорит о простоте и компактности предлагаемого устройства.

Заявляемое устройство отличается от известных тем, что предложена новая конструкция взаимодействия поршневой системы ДВС, предложена новая конструкция клапанного устройства, предложена в целом более простая конструкция устройства с более высоким КПД, более широкой областью применения и улучшенными экологическими характеристиками, что позволяет судить о соответствии заявляемого устройства критерию «новизна».

В традиционных классических ДВС (Отто, Дизель) способ образования рабочего объема для организации термодинамического цикла (впуск топливной смеси, сжатие, воспламенение, расширение и выпуск отработанных газов) осуществляется за счет возвратно-поступательного движения поршня относительно неподвижной РК (цилиндра), при этом объем является замкнутым и периодически изменяемым. В ДВС [RU 2136925, F02B 59/00, 1997] рабочий объем для организации термодинамического цикла образован цилиндрами и поршнями, движущимися навстречу друг другу посредством кривошипов. В некоторых устройствах [RU 2068106, F02B 53/06, 1994] впуск топлива в РК организуют по касательной, что способствует лучшему перемешиванию топлива и распределению его по всему объему РК и обеспечивает лучшие условия для полноты сгорания топлива. В прототипе [SU 1838644, A3, F02B 57/00, 1990] вращается роторный блок, содержащий цилиндры и поршни, при этом рабочий объем, в котором осуществляются термодинамические циклы, также образован возвратно-поступательным движением поршня относительно неподвижного цилиндра. Общими недостатками являются неравномерное распределение топливной смеси по объему, неполное сгорание топливной смеси, низкий КПД, высокая токсичность выхлопных газов.

Целью настоящего изобретения является создание такого способа выполнения рабочего объема для организации термодинамического цикла, в котором можно реализовать условия для более эффективного перемешивания и равномерного распределения топливной смеси по всему объему РК, что способствует более полному сгоранию топливной смеси и уменьшению токсичности выхлопных газов, получению более высоких значений КПД, проще и надежнее организовать впуск топливной смеси и выпуск отработанных газов.

Поставленная цель достигается тем, что замкнутый и периодически изменяемый рабочий объем для организации преимущественно 4-тактного термодинамического цикла, включающего впуск топливной смеси, сжатие, воспламенение, сгорание, расширение и выпуск отработанных газов, образован возвратно-поступательным движением поршня, вращающейся относительно поршня и корпуса рабочей камерой и жестко закрепленной на ее торце через уплотнения керамической пластиной, являющейся одновременно частью клапанного устройства с выпускными и впускными отверстиями, обеспечивающими вместе с вращением РК перемешивание топливной смеси и равномерное ее распределение по объему РК.

Согласно изобретению способ выполнения замкнутого и периодически изменяемого рабочего объема поршневой машины, образуемого движением поршня и движущейся рабочей камеры (цилиндра), для организации термодинамического цикла, отличается тем, что замкнутый и периодически изменяемый рабочий объем для организации либо 2-тактного термодинамического цикла, либо 4-тактного термодинамического цикла, включающего впуск топлива, сжатие, воспламенение, сгорание, расширение и выпуск отработанных газов, образован прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня, вращающейся относительно поршня и корпуса рабочей камерой и керамической пластиной, являющейся одновременно частью клапанного устройства с выпускными и впускными отверстиями, при этом либо керамическая пластина жестко закреплена на торце рабочей камеры, либо рабочая камера выполнена полностью из керамического материала в виде полого цилиндрического стакана с плоскопараллельным и полированным торцом с отверстиями для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов и является одновременно составной частью клапанного устройства.

Впускное отверстие в керамической пластине, закрепленной на торце рабочей камеры, направлено к торцу поршня и в направлении вращения рабочей камеры под углом не более 45 градусов.

В клапанном устройстве выполнено по два и более впускных и выпускных отверстия.

Впускные отверстия выполнены в форме сопла Лаваля с направляющими канавками.

В соответствии с изобретением рабочий объем для организации термодинамического цикла образован между поршнем, совершающим прямолинейное возвратно-поступательное движение, и РК, совершающей вращательное движение относительно поршня и корпуса ДВС. Вращение РК относительно поршня способствует более эффективному перемешиванию топливной смеси за счет ее турбулизации и более равномерному распределению ее по всему объему РК, что обеспечивает более полное сгорание топливной смеси, а следовательно, повышение КПД ДВС и улучшение его экологических характеристик.

Применение термостойких керамических материалов в рабочем объеме ДВС позволяет проводить термодинамический цикл в диапазоне температур, имеющий для разных сортов топливной смеси свои значения, при которых происходит более полное сгорание топливной смеси, что также позволяет улучшить полноту сгорания топлива, уменьшая при этом вредные примеси в выхлопных газах. Сгорание топливной смеси происходит в камере сгорания в момент прохождения поршнем верхней мертвой точки, при этом основная поверхность камеры сгорания образована двумя керамическими пластинами. С одной стороны керамический поршень или керамическая накладка на торце поршня, а с другой стороны керамическая пластина на торце РК.

Устройство впускных отверстий в керамических пластинах клапанного устройства для впуска топливной смеси в рабочий объем РК с углом наклона этих отверстий к торцу поршня и в направлении вращения РК, не превышающим 45 градусов, в виде сопла Лаваля с направляющими канавками для закрутки потока топливной смеси также способствует более эффективному перемешиванию топливной смеси, ее турбулизации и более равномерному распределению ее по объему РК, что также обеспечивает полноту сгорания топливной смеси, способствует повышению КПД ДВС и снижению уровня примесей в отработанных газах.

Заявляемый способ отличается от известных авторам тем, что замкнутый и периодически изменяемый объем образован одновременно прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня и вращающейся относительно поршня и корпуса ПМ РК с жестко закрепленной на ее торце керамической пластиной, являющейся одновременно частью клапанного устройства, предложено более эффективное устройство впускных отверстий в клапанном устройстве для улучшения перемешивания и более равномерного распределения топливной смеси в объеме рабочей камеры, предложен в целом более эффективный способ выполнения рабочего объема для организации термодинамического цикла ДВС с более высоким КПД и улучшенными экологическими характеристиками, что позволяет судить о соответствии заявляемого способа критерию «новизна».

Как следует из вышеописанного, заявляемое устройство и способ выполнения рабочего объема ПМ для организации термодинамического цикла связаны в конструкции устройства единым изобретательским замыслом, поскольку способ охарактеризован признаками, направленными на реализацию признаков, характеризующих устройство.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен вид ДВС с одним поршнем в разрезе, на фиг.2 - вид ДВС с двумя поршнями в разрезе, на фиг.3 приведена схема крепления свечи зажигания в клапанном устройстве, на фиг.4 приведен вид ДВС с четырьмя поршнями в разрезе, на фиг.5 приведена схема крепления керамической накладки на поршень, на фиг.6 приведен вид насоса-компрессора с одним поршнем в разрезе, на фиг.7 приведен вид насоса-компрессора с двумя поршнями в разрезе.

ДВС (фиг.1) содержит разъемный цилиндрический корпус 1, торцовые крышки 3 корпуса 1, подвижную относительно корпуса 1 и поршня 6 рабочую камеру 4 с ограничительными кольцевыми выступами 5 для ограничения перемещения подшипников 21 вдоль поверхности РК, выполненный из керамического материала поршень 6, палец 7, шатун 8, вкладыш 9, зубчатый венец 10, шестерни 11, 11а, подшипники 12, кривошип 13, керамическую пластину 14 с входным отверстием 19 и выходным отверстием (на фиг.1 показан начальный такт впуска), неподвижно закрепленную на РК через уплотнение 20, керамическую пластину 15, закрепленную на крышке 3 корпуса 1 через уплотнения 17. В керамической пластине 15 выполнено впускное отверстие 18 (фиг.1, 2) и выпускное отверстие 16. Впускное отверстие 18 и выпускное отверстие 16 совмещены с впускным Д и выпускным С отверстиями на крышке 3 корпуса 1. Керамическая пластина 15 неподвижно закреплена на крышке 3 через высокотемпературные уплотнения 17, а сама крышка 3 выполнена с возможностью поворота вокруг оси на угол, не превышающий 20-ти градусов, и возможностью регулировки усилия прижатия керамических пластин 14, 15, за счет установки уплотнений между крышкой 3 и корпусом 1 (не показаны).

Керамическая пластина 15 может быть установлена в отдельной втулке, которую закрепляют на крышке 3 с возможностью регулировки усилия прижатия керамических пластин 14, 15 и возможностью поворота втулки вместе с керамической пластиной 15 относительно крышки 3 корпуса 1 вокруг оси. На фиг.1 показано положение поршня в верхней (мертвой) точке, в момент сжатия топливной смеси, когда впускное и выпускное отверстия в керамической пластине 15 перекрыты пластиной 14. Керамическая пластина 14 закреплена неподвижно на торце РК 4 через высокотемпературное уплотнение 20 и вращается относительно корпуса 1 и поршня 6 вместе с РК. Керамические пластины 14, 15 в совокупности представляют собой клапанное устройство, которое содержит, по меньшей мере, одно впускное и, по меньшей мере, одно выпускное отверстия и отверстие для установки свечи зажигания.

Свечи зажигания или просто спирали накаливания (керамика - изолятор) установлены в центре керамических пластин (фиг.3), при этом свечи зажигания могут быть установлены в клапанном устройстве с возможностью постоянного накала. В этом случае клапанное устройство выполняет для свечи роль герметичного ввода вращения.

Соответствующие впускные и выпускные отверстия в керамических пластинах расположены на разных концентрических окружностях, чтобы исключить их совмещение при вращении РК 4. Поверхности контакта керамических пластин плоскопараллельны и полированы. Наружные контуры керамических пластин выполнены в виде квадрата или прямоугольника и установлены в гнездах соответствующей конфигурации, что дополнительно предохраняет их от произвольного поворота или смещения с места их установки.

Уплотнения керамических пластин выполнены из материалов с демпфирующими свойствами и высокой температурой плавления, например из отожженной меди.

Поршень 6 может быть выполнен из металла с керамической накладкой 27 на его торце (фиг.5) для защиты от высоких температур и возможностью установки на нем компрессионных колец в канавках 24. Керамическая накладка 27 (фиг.5) закреплена на торце поршня 6 через уплотнения 25 с помощью крепежных деталей 23, 26.

Рабочая камера может быть выполнена полностью из керамического материала в виде полого цилиндрического стакана с плоскопараллельным и полированным торцом и отверстиями для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов, при этом торец РК выполняет роль второй керамической пластины клапанного устройства.

Керамические детали изготавливают преимущественно из горячепрессованного карбида кремния или из горячеспеченного нитрида кремния. Эти материалы, по сравнению с другими керамическими материалами, имеют более высокую прочность, более высокую термостойкость и более высокие трибологические характеристики (в частности, износостойкость). Керамические детали могут быть изготовлены также из нитрида алюминия, двуокиси алюминия или из металлокерамики.

Зубчатый венец (ведомая шестерня) 10 выполнен заодно с рабочей камерой 4 со стороны ее торца, обращенного в сторону кривошипа. На фиг.1, 2 показан зубчатый венец 10, выполненный в виде отдельной шестерни, который неподвижно закреплен на торце РК 4 и вращается вместе с ней. С зубчатым венцом 10 входят в зацепление шестерни 11, 11а, одна из которых (ведущая шестерня 11) жестко закреплена на оси кривошипа 13, а вторая, также входящая в зацепление с зубчатым венцом 10, ограничена от продольного смещения, но свободно вращается относительно оси кривошипа 13. Шестерни могут быть коническими или цилиндрическими.

Вращаясь в разных направлениях, шестерни 11, 11а вращают РК в разных направлениях и способствуют организации направленного движения масляного потока к поверхностям РК и корпуса ДВС. Для более эффективного охлаждения поверхностей корпуса и РК на поверхности РК выполняют канавки 5а (фиг.1) в виде винтовой резьбы с квадратными или полукруглыми сечениями, а на оси кривошипа могут быть установлены лопасти, имитирующие работу центробежного насоса. Продольные канавки также выполняют на колене кривошипа 13 для улучшения смазки вкладыша 9. Для охлаждения масла внутри корпуса устанавливают змеевик 3а (фиг.1), по которому циркулирует охлаждающая жидкость.

На боковой поверхности корпуса ДВС или со стороны его торца могут быть выполнены отверстия для охлаждения поверхности вращающейся РК с помощью воздуха принудительным или естественным способом.

Оси кривошипа 13 вращаются в подшипниках 12, установленных в корпусе 1. Если конструкцию ДВС выполняют в герметичном исполнении, на выходе осей кривошипа 13 и корпуса 1 или вставки 2 (фиг.1,2) устанавливают герметичные вводы вращения, при этом вместо подшипников 12 в корпусе 1 могут быть установлены втулки.

Элементарная ячейка (мини-ДВС) представляет собой однопоршневой ДВС. Элементарные ячейки легко монтируются в блоки. Блоки ПМ могут быть выполнены из одной, двух и более элементарных ячеек. На фиг.4 приведен вид крестообразного блока из 4-х элементарных ячеек. Для увеличения мощности устанавливают в параллель несколько блоков, например 4-поршневой блок, собранный по крестообразной схеме легко монтируется в 2- или 3-блочный ДВС, имеющий соответственно 8 или 12 поршней. При этом все поршни закрепляют на одном кривошипе (коленчатом валу), а кривошип выполнен с двумя или тремя коленами. На фиг.2 приведено расположение поршней 6 в корпусе 1 под углом 180 градусов, но расположение поршней может быть под разными углами (V-образное исполнение).

Устройство насоса или компрессора (фиг.6, 7) идентично устройству ДВС (фиг.1, 2), но у однопоршневого насоса-компрессора (фиг.6) имеется отличие. Это отличие в том, что привод 28 устанавливают на крышке 3 корпуса 1 через уплотнение из керамических пластин 29, 30, соединительную муфту 31 и коромысло 32, во втулках которого свободно вращается кривошип 13. У двухпоршневого насоса-компрессора (фиг.7) привод 28 закрепляют на боковой поверхности вставки 2 корпуса 1 и соединяют с одной из осей кривошипа 13. Конструкция ДВС может быть выполнена в виде блока, одной из элементарных ячеек которого является насос или компрессор.

Сборка ДВС (фиг.1, 2) производится следующим образом. Сначала на одной из осей кривошипа 13 жестко закрепляют ведущую шестерню 11, вторую шестерню 1la одевают на ось кривошипа с противоположной стороны до изгиба (колена) кривошипа 13 (эта шестерня свободно вращается вокруг оси кривошипа). Устанавливают оси кривошипа 13 и подшипники 12 в отверстия вставки 2 (фиг.2) между частями корпуса 1 или в отверстия верхней части корпуса 1 (фиг.1) и закрепляют свободную шестерню 11a на оси кривошипа с помощью шайб и шплинтов (возможен и другой вариант ограничения перемещения шестерни 11а вдоль оси). Затем закрепляют зубчатый венец 10 на торце РК 4 и вставляют в РК поршень 6 в сборе с шатуном 8. Далее РК вместе с поршнем и шатуном вставляют в нижнюю часть корпуса 1 и закрепляют шатун 8 на вкладыше 9. Соединяют верхнюю и нижнюю части корпуса 1 или соединяют части корпуса со вставкой 2. После этого на противоположном торце РК 4 закрепляют керамическую пластину 14 с использованием уплотнений 20 и приводят в зацепление шестерни 10, 11, 11а, таким образом, чтобы определенные моменты (такты) нахождения поршня 6 соответствовали расположению отверстий керамических пластин 14, 15. Затем закрепляют керамическую пластину 15 с использованием уплотнений 17 в крышке 3 и закрепляют ее на корпусе 1, прижимая одновременно всю конструкцию в целом до ограничителей (не показаны). Допускается регулировка расположения впускных и выпускных отверстий поворотом крышки 3 корпуса 1 вместе с закрепленной на ней керамической пластиной 15, например, по причине износа ведущих или ведомых шестерен или при замене одного вида топлива на другой. Корпус 1 (фиг.2) может быть выполнен без вставки 2 и тогда оси кривошипа вставляют между двумя частями корпуса 1.

Сборку насоса или компрессора (фиг.6, 7) производят аналогичным образом, установку привода 28 с коромыслом 32, муфтой 31 и с уплотнением керамическими пластинами 30, 29 (фиг.6) производят с торцовой поверхности корпуса 1, а привод 28 (фиг.7) закрепляют на боковой поверхности вставки 2 корпуса 1.

ДВС работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 6 (фиг.1, 2) вращение шестерен 11, 11а осуществляется через кривошип 13, а шестерня 11 приводит во вращение зубчатый венец 10, который в свою очередь вращает РК 4. При вращении РК 4 впускные отверстия нижней и верхней торцовых керамических пластин 14, 15 совмещаются, происходит впуск, сжатие и воспламенение топливной смеси, поршень под давлением расширяющихся газов начинает совершать возвратно-поступательные движения и вращает при этом с помощью шатуна 8 и кривошипа 13 шестерни 11, 11а и одновременно вращает зубчатый венец 10, закрепленный на РК 4, и передает вращение через ось (оси) А и В кривошипа 13 потребителю на колеса автомобиля или другие узлы и механизмы. Моменты совмещения впускных и выпускных отверстий в керамических пластинах 14, 15 синхронно связаны с положением поршня 6, с шестернями 11, 11a и зубчатым венцом 10. Эти моменты, установленные при сборке шестерен 11, 11а с зубчатьм венцом 10, в дальнейшем практически не требуют регулировки.

За один полный (4-тактный) термодинамический цикл ведущая шестерня 11 заодно с кривошипом 13 совершает два оборота. Если диаметр ведущей шестерни 11 составляет половину диаметра зубчатого венца, то зубчатый венец 10 совершит при этом заодно с РК 4 только один оборот. При других соотношениях диаметров зубчатого венца и ведущей шестерни выполняют соответствующее этим соотношениям количество впускных и выпускных отверстий в клапанном устройстве.

При работе однопоршневого ДВС в режиме 2-тактного термодинамического цикла, когда происходит совмещение впуска топливной смеси и рабочего хода, сжатия и выпуска отработанных газов, в клапанном устройстве выполняют дополнительное выпускное отверстие, а для продувки отработанных газов устанавливают компрессор.

Температурный режим ДВС осуществляется охлаждением наружной поверхности и крышек корпуса воздухом, а внутренние поверхности корпуса и РК охлаждаются, с одновременной смазкой вращающихся деталей, масляным потоком, который, в свою очередь, охлаждается от поверхности змеевика с охлаждающей жидкостью. Для поддержания заданной температуры ДВС стенки корпуса снабжены датчиками температуры, а охлаждающая жидкость в змеевике снабжена регулятором расхода. В качестве топлива (за небольшим исключением) может служить любое жидкое или газовое топливо, способное к распылению.

В режиме насоса или компрессора ПМ работает следующим образом. От привода 28 (фиг.6, 7) в действие приводится кривошип. Ведущая шестерня 11, жестко закрепленная на кривошипе, передает вращение РК 4 через ведомую шестерню 10. Одновременно приводится в процесс возвратно-поступательного движения поршень 6, который через отверстия клапанного устройства осуществляет всасывание и нагнетание рабочей среды.

Таким образом, предложенное техническое решение ПМ по сравнению с прототипом и другими известными авторам техническими решениями обладает (техническими) преимуществами, которые заключаются в повышении КПД, надежности, простоте конструкции, улучшении экологических характеристик, расширении области применения.

Изобретение может быть использовано в качестве двигателей внутреннего сгорания, насосов и компрессоров. Поршневая машина (ПМ) в качестве двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержит разъемный цилиндрический корпус 1, торцовые крышки 3, подвижную относительно корпуса 1 и поршня 6 рабочую камеру (РК) 4, палец 7, шатун 8, вкладыш 9, зубчатый венец 10, шестерни 11, 11а, подшипники 12, кривошип 13. Керамические пластины 14, 15 с плоскопараллельными и полированными поверхностями контакта образуют торцовое клапанное устройство. Керамическая пластина 14 с впускными и выпускными отверстиями неподвижно закреплена на торце РК 4 через высокотемпературное уплотнение 20 и вращается вместе с РК. Керамическая пластина 15 также с впускными и выпускными отверстиями неподвижно закреплена на крышке 3 корпуса 1 через высокотемпературные уплотнения 17. Впускные и выпускные отверстия клапанного устройства выполнены в керамических пластинах по концентрическим окружностям и в процессе вращения РК относительно поршня и корпуса совмещаются в моменты времени, которые соответствуют определенным тактам термодинамического цикла. Техническим результатом является упрощение конструкции, увеличение КПД и улучшение экологических характеристик. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Поршневая машина, содержащая, по меньшей мере, один блок, включающий, по меньшей мере, одну элементарную ячейку, которая содержит установленную с помощью подшипников в полом цилиндрическом корпусе поршневой машины рабочую камеру (цилиндр) с возможностью ее вращения относительно корпуса одновременно с движением поршня, который соединен с кривошипом с помощью шатуна и придает вращение кривошипу, а на осях кривошипа установлены шестерни, одна из которых жестко закреплена на оси кривошипа и обеспечивает вращение рабочей камеры, отличающаяся тем, что рабочая камера (цилиндр) установлена с возможностью ее вращения относительно поршня и корпуса одновременно с прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня, а на осях кривошипа, оси которого закреплены в корпусе, установлены шестерни, входящие в зацепление с торцовым зубчатым венцом, одна из которых ограничена в продольном перемещении и свободно вращается на оси кривошипа, зубчатый венец либо выполнен заодно с рабочей камерой, либо выполнен в виде отдельной шестерни и неподвижно закреплен на торце рабочей камеры, который обращен в сторону кривошипа, при этом шестерни, вращаясь в противоположных направлениях, создают направленное движение масляного потока с возможностью охлаждения и смазки подшипников, стенок рабочей камеры, корпуса поршневой машины и возможностью теплообмена с поверхностью змеевика с охлаждающей жидкостью, который установлен внутри корпуса, а на противоположном торце рабочей камеры и крышке корпуса расположены керамические пластины с плоскопараллельными и полированными поверхностями контакта, образующие клапанное устройство, которое содержит выпускное и направленное под углом к торцу поршня и в направлении вращения рабочей камеры впускное отверстия, которые расположены по концентрическим окружностям керамических пластин и совмещаются в моменты времени, в соответствии с тактами термодинамического цикла, керамические пластины на торце рабочей камеры жестко закреплены через уплотнения, при этом либо керамические пластины на крышке корпуса жестко закреплены через уплотнения, либо торцовые крышки на корпусе поршневой машины изготовлены из керамики заодно с керамическими пластинами, либо одна из керамических пластин клапанного устройства закреплена во втулке, которая установлена с возможностью поворота ее вокруг оси и перемещения в осевом направлении относительно торцовой крышки корпуса с возможностью регулирования усилия прижатия керамических пластин, кроме того, по центру клапанного устройства выполнено отверстие, в котором через уплотнения установлена свеча зажигания.

2. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что на осях кривошипа в корпусе поршневой машины установлены герметичные вводы вращения.

3. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что на оси кривошипа могут быть установлены лопасти, имитирующие работу центробежного насоса, а на колене кривошипа выполнены продольные канавки для смазки вкладыша.

4. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе установлен змеевик, а на змеевике установлен термодатчик контроля температуры охлаждающей жидкости и регулятор ее расхода.

5. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что на внешней поверхности рабочей камеры выполнены канавки в виде винтовой резьбы с прямоугольным или полукруглым сечением.

6. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что керамические детали изготавливают из горячепрессованного карбида кремния или из горячеспеченного нитрида кремния.

7. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что уплотнения керамических пластин выполнены из материалов с демпфирующими свойствами, например из отожженной меди.

8. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе поршневой машины выполнены отверстия для охлаждения стенок вращающейся рабочей камеры принудительным или естественным воздушным потоком.

9. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что конструкция выполнена в виде блока, одной из элементарных ячеек которого является насос или компрессор.

10. Способ выполнения замкнутого и периодически изменяемого рабочего объема поршневой машины, образуемого движением поршня и движущейся рабочей камеры (цилиндра), для организации термодинамического цикла, отличающийся тем, что замкнутый и периодически изменяемый рабочий объем для организации либо 2-тактного термодинамического цикла, либо 4-тактного термодинамического цикла, включающего впуск топлива, сжатие, воспламенение, сгорание, расширение и выпуск отработанных газов, образован прямолинейным возвратно-поступательным движением поршня, вращающейся относительно поршня и корпуса рабочей камерой и керамической пластиной, являющейся одновременно частью клапанного устройства с выпускными и впускными отверстиями, при этом либо керамическая пластина жестко закреплена на торце рабочей камеры, либо рабочая камера выполнена полностью из керамического материала в виде полого цилиндрического стакана с плоскопараллельным и полированным торцом с отверстиями для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов и является одновременно составной частью клапанного устройства.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что впускное отверстие в керамической пластине, закрепленной на торце рабочей камеры, направлено к торцу поршня и в направлении вращения рабочей камеры под углом не более 45°.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что в клапанном устройстве выполнено по два и более впускных и выпускных отверстия.

13. Способ по п.10, отличающийся тем, что впускные отверстия выполнены в форме сопла Лаваля с направляющими канавками.