ПОРШНЕВАЯ МАШИНА, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДВИГАТЕЛЬ, СНАБЖЕННАЯ ПРЯМИЛАМИ УАТТА Российский патент 2017 года по МПК F01B1/08 F02B75/26 F02B75/28 F02B75/32 

Изобретение относится к механике и может быть использовано в конструкциях двигателей внутреннего сгорания (ДВС), компрессоров и других поршневых машин.

Известны различные компоновки ДВС [В.А. Ваншейдт, Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей, стр. 31…38. – Л.: "Судостроение", 1969].

Прогрессивными по компоновке являются двигатели с противоположно движущимися поршнями, в которых может быть обеспечена полная уравновешенность в каждом цилиндре. Двигатели с противоположно движущимися поршнями называют также оппозитными двигателями.

Известен кривошипно-ползунный механизм двухцилиндрового двигателя [И.И. Артоболевский, Механизмы в современной технике, в 7 томах, том 2, стр. 486, механизм 1495, -М..: "Наука", 1979], в котором противоположно движущиеся в цилиндрах поршни передают движение коленчатому валу посредством коромысел и шатунов. Достоинствами данной схемы являются уравновешенность механизма и компактность конструкции, а недостатком - возрастание инерционных нагрузок с повышением частоты вращения коленчатого вала из-за длинных плеч коромысел, развернутых на большой угол (по схеме - 180 градусов).

Основными недостатками оппозитных двигателей являются: сложная конструкция, увеличенный габаритный размер в направлении осей цилиндров двигателя.

Известны ДВС, в которых поршни, связанные штоками, совершают возвратно-поступательные движения в цилиндрах, находящихся в одной оси, а их штоки снабжены направляющими прямолинейного движения скольжения [Бесшатунный двигатель и способ устранения заклинивания его механизма, описание изобретения к патенту RU 2538349 C2, опубликовано 10.01.2015]. В этом двигателе, а также в других двигателях, где применяются направляющие прямолинейного движения скольжения, почти отсутствует трение поршней о стенки цилиндров, что позволяет повысить скорость движения поршней, а в итоге - мощность, КПД и долговечность таких двигателей.

Жесткие требования к точности изготовления отдельных деталей таких двигателей являются препятствием к их применению.

Известен механизм "Прямило".

Прямило - механизм для превращения вращательного движения в прямолинейное без направляющих [Прямило - Толковый словарь Ефремовой - Энциклопедии & Словари, http://www.efremova.info/].

Известен шарнирно-рычажный четырехзвенный направляющий механизм [И.И. Артоболевский, Механизмы в современной технике, в 7 томах, том 1, стр. 311, механизм 608, -М. : "Наука", 1979], - один из вариантов механизма "Прямило", аналог которого с другими соотношениями длин звеньев, повышающих точность получения прямолинейного движения, применен авторами данной заявки.

Известен двигатель Гуськова-Улыбина [К.Ю. Чириков. Необычные двигатели. –М.: "Знание", 1976, стр. 30], а также [Объемная поршневая машина, а.с. №323562], в котором традиционный шатунный механизм заменен одним из механизмов П.Л. Чебыщева, обеспечивающим приближенно прямолинейное движение штока поршня - прототип.

Известна книга [З.Н. Перля. Повесть о машине. –М.: "Молодая гвардия", 1975, стр. 25]. В художественной форме в ней рассказано о применении механизма под названием "Прямило Уатта" в конструкции паровой машины для спрямления движений штока поршня и об усовершенствовании этого механизма П.Л. Чебышевым.

О применении рычажных механизмов для получения приближенно прямолинейного движения и о расчетах их элементов известны книги [Ю.А. Данилов. Многочлены Чебышева, -Минск.: "Вышэйша школа", 1984, стр. 34] и [П.Л. Чебышев. Избранные труды, Москва, Издательство Академии Наук СССР, 1955, стр. 669].

Для шарнирно-рычажного четырехзвенного направляющего механизма [И.И. Артоболевский, Механизмы в современной технике, в 7 томах, том 1, стр. 311, механизм 608, -М.: "Наука", 1979] предложены следующие соотношения длин звеньев: AB равно DC, BC равно 0,62AB, BE равно EC, AD равно 2,15AB. AD по вертикали, согласно иллюстрации к механизму, как и BC, равно 0,62AB.

Авторы данной заявки, проведя моделирование, предлагают для направляющего механизма «Прямило» при AD по вертикали равным 0,62AB, назначить BC равным 0,62064AB, a AD равным 2,03571AB. При этом отклонение точки E от прямолинейности на участке перемещения H уменьшится более чем в 10 раз при расположении участка прямолинейности вдоль вертикальной оси. Отношение интервала отклонений точки E при перемещении на участке H между точками E1 и E2 к длине участка составит 0,000265, что позволит использовать такой механизм в качестве направляющего прямолинейного движения для штока поршня ДВС. Для сравнения с этим механизмом систему координат исходного механизма [И.И. Артоболевский, механизм 608] требуется повернуть на угол, обеспечивающий участок прямолинейности в нем при наименьших значениях интервала симметричных смещений точки E в конечных и промежуточных положениях на всем участке H перемещения между точками E1 и E2.

AD по вертикали является участком прямолинейности H. При расширении хода точки E за пределы участка H ее отклонение от прямолинейности резко повышается, а уменьшение BC по отношению к AB и изменение соотношений длин звеньев в нем уменьшают отклонение точки E от прямолинейности на участке перемещения H. На меньшем участке, например, 0,85H и назначении BC равным 2,05AB, при сохранении соотношений длин других звеньев и повороте системы координат на некоторый угол, обеспечивающий прямолинейность при наименьших значениях интервала симметричных смещений точки E в конечных и промежуточных положениях, отношение интервала отклонений к длине участка составит 0,00014. Такое незначительное уменьшение участка перемещения позволяет значительно уменьшить отклонение от прямолинейности. Механизм с такими параметрами также может найти практическое применение.

В прототипе [Объемная поршневая машина, а.с. №323562] обеспечено приближенно прямолинейное движение штока поршня благодаря тому, что последний присоединен к механизму Чебышева, образованному коленом вала, качающимся коромыслом и шатуном, имеющим три шарнирных соединения, оси которых расположены в вершинах равнобедренного треугольника, причем один шарнир соединен с поршнем, другой - с коромыслом, а третий - с шатунной шейкой колена вала.

В обзоре по перспективным двигателям для народного автомобиля, который подготовил тольяттинский изобретатель Ульдяров В.Б. утверждается, что эта схема не нашла продолжения из-за грубого спрямления движения поршня и дополнительных к этому термических искажений положения точки сопряжения с его штоком.

[http://maxpark.com/community/1556/content/692821]. Авторы настоящей заявки согласны с этим мнением.

На преодоление недостатков двигателей, в которых применяется кривошипно-шатунный механизм преобразования движения и на обеспечение прямолинейного движения штоков поршней направлены технические решения, предпринятые в предполагаемом изобретении, что является задачей изобретения.

Технический результат достигается тем, что в поршневой машине, преимущественно двигателе, снабженной прямилами Уатта, содержащей размещенные в корпусе, в паре находящиеся в одной оси, как минимум пару цилиндров, в которые помещены, движущиеся возвратно-поступательно поршни, связанные штоками, согласно изобретению концы штоков пар поршней шарнирно закреплены в серединах спрямляющих рычагов прямил Уатта, присоединенных, каждое, одним из качающихся рычагов, посредством шатунов, к кривошипам коленчатого вала.

На фиг. 1 изображен вариант прямила Уатта, которым снабжен предмет данного предлагаемого изобретения.

На фиг. 2 изображена траектория точки E исходного прямила Уатта [И.И. Артоболевский, механизм 608] на участке прямолинейности H в натуральную величину и, для наглядности, вдоль горизонтальной оси, масштабированная в 100 (сто) раз.

На фиг. 3 изображена траектория точки E на участке прямолинейности H в натуральную величину и, для наглядности, вдоль горизонтальной оси, масштабированная в 1000 (тысячу) раз, прямила Уатта, соотношения длин звеньев в котором предложены авторами данной заявки.

На фиг. 4 упрощенно изображена схема поршневой машины, преимущественно двигателя, снабженной прямилами Уатта, в одном из вариантов исполнения.

На фиг. 5 - 7 упрощенно изображены другие возможные схемы поршневых машин, преимущественно двигателей, снабженных прямилами Уатта.

Поршневая машина, преимущественно двигатель, снабженная прямилами Уатта (см. фиг. 4), содержит установленные в корпусе (для наглядности не показан) цилиндры 1, в которые помещены поршни 2, связанные штоками 3-1 и 3-2, шарнирно закрепленными в серединах серег 4 (спрямляющих рычагов прямил Уатта), шарнирно соединенных с рычагами 5-1 и 5-2, другими концами, шарнирно закрепленными в корпусе. Рычаги 5-1 имеют шарниры, близко отстоящие от шарниров присоединения их к серьгам 4 (спрямляющим рычагам прямил Уатта), к которым присоединены шатуны 6, другими концами, имеющие шарнирные соединения с кривошипами коленчатого вала 7, шарнирно установленного в корпусе.

Работа поршневой машина, преимущественно двигателя, снабженной прямилами Уатта, заключается в преобразовании в цилиндрах возвратно-поступательного движения поршней, возникающего от воздействия на них расширяющихся при сгорании горючей смеси газов, во вращательное движение выходного вала. Причем штоки 3-1 и 3-2 поршней 2, шарнирно закрепленные в серединах серег 4 (спрямляющих рычагов прямил Уатта), в пределах своего хода движутся приближенно прямолинейно.

Поршневая машина, преимущественно двигатель, снабженная прямилами Уатта (см. фиг. 4), работает следующим образом.

Поршни 2, совершая возвратно-поступательные движения в цилиндрах 1, посредством штоков 3-1 и 3-2, серег 4 (спрямляющих рычагов прямил Уатта), рычагов 5-1, шатунов 6 передают движение коленчатому валу 7, заставляя его вращаться.

На фиг. 5-фиг. 7 упрощенно изображены возможные схемы поршневых машин, преимущественно двигателей, снабженных прямилами Уатта. Все они содержат аналогичные, обозначенные на фиг. 4 элементы, поз. 1 - 7.

В поршневой машине любой конфигурации и назначения, оснащенной прямилами Уатта, трение поршней о стенки цилиндров будет сведено к минимуму, повысится ее КПД и долговечность, такая машина будет отличаться компактностью.

Поршневая машина, преимущественно двигатель, снабженная прямилами Уатта, содержит размещенные в корпусе, в паре находящиеся в одной оси, как минимум пару цилиндров, в которые помещены движущиеся возвратно-поступательно поршни, связанные штоками. Согласно изобретению концы штоков пар поршней шарнирно закреплены в серединах спрямляющих рычагов прямил Уатта, присоединенных, каждое, одним из качающихся рычагов, посредством шатунов, к кривошипам коленчатого вала. Техническим результатом является обеспечение прямолинейного движения штоков поршней. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Поршневая машина, преимущественно двигатель, снабженная прямилами Уатта, содержащая размещенные в корпусе, в паре находящиеся в одной оси, как минимум пару цилиндров, в которые помещены движущиеся возвратно-поступательно поршни, связанные штоками, отличающаяся тем, что концы штоков пар поршней шарнирно закреплены в серединах спрямляющих рычагов прямил Уатта, присоединенных, каждое, одним из качающихся рычагов, посредством шатунов, к кривошипам коленчатого вала.

2. Поршневая машина, преимущественно двигатель, снабженная прямилами Уатта по п. 1, отличающаяся тем, что один из качающихся рычагов каждого прямила Уатта присоединен к шатуну, связывающему его с кривошипом коленчатого вала в оси шарнира с плечом, близким плечу рычага.

3. Поршневая машина, преимущественно двигатель, снабженная прямилами Уатта по п. 1, отличающаяся тем, что выполненные с искривленными внешними обводами рычаги прямил Уатта при качаниях проникают в полости цилиндров.

4. Поршневая машина, преимущественно двигатель, снабженная прямилами Уатта по п. 1, отличающаяся тем, что угловая ориентация кривошипов коленчатого вала обеспечивает движение в противофазе поршней, связанных штоками, соседних пар цилиндров.