Многопоршневой двигатель Российский патент 2024 года по МПК F01B7/14 F02B75/28 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к рычажным механизмам тепловых двигателей и может найти применение в различных машинах для привода вращательных рабочих органов.

Известен многопоршневой рычажно-кулачковый двигатель Ш.М. Фэрчайлда, в котором поршни выполнены без штоков и соединены между собой через шарнирный четырехзвенник с четырьмя звеньями одинаковой длины и двумя осями симметрии, на вершинах которого установлены круглые ролики, контактирующие с кулачком выходного вала (книга С.Н. Кожевников «Теория механизмов и машин» - Москва, Машиностроение, 1973, издание четвертое, стр. 58, схема на рис.1.22) - аналог.

Недостатками известного многопоршневого рычажно-кулачкового двигателя является сложность конструкции, большие габариты двигателя, трудоемкость изготовления профиля кулачка и низкая нагрузочная способность точечных кинематических пар кулачка.

Так же известен многопоршневой двигатель С.С. Баландина, в котором штоки каждой пары поршней жестко соединены между собой, а механическое соединительное устройство выполнено в виде пространственного многократного рычажно-зубчатого механизма с применением зубчатых колес, имеющих разные числа зубьев (книга С.С. Баландин «Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания» - Москва, Машиностроение, 1972, стр.14, схема на рис.11) -аналог.

Недостатками указанного двигателя С.С. Баландина является сложность конструкции, большие пространственные габариты многопоршневого двигателя и низкий КПД его теплового термодинамического цикла (из-за невозможности регулировочного изменения этого цикла в конструкции двигателя с жестким блокированием поршней для их движения с нерегулируемой одинаковой скоростью.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является многопоршневой двигатель, содержащий поршневое устройство в виде двух соосно установленных по вертикали и кинематически связанных между собой верхнего и нижнего поршней со штоками, расположенных по одну сторону от ведомых кривошипов и соединенных между собой через механическое соединительное устройство в виде рычажного механизма с двумя осями симметрии углов для сборки шарнирного ромба из четырех шатунов одинаковой длины (авторское свидетельство №SU 1364763 А1, 1988 года) - прототип.

Недостатками указанного прототипа являются:

1) Низкий КПД и нерегулируемость теплового термодинамического цикла в конструкции двигателя с одинаковой длиной всех шатунов.

2) Сложность изготовления и сборки замкнутых контуров шарнирного ромба с двумя взаимно перпендикулярными осями симметрии его углов.

3) Во всех замкнутых контурах шарнирного ромба с двумя осями симметрии возникают вредные избыточные связи, снижающие срок службы рычажного привода.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции многопоршневого двигателя, уменьшении числа избыточных связей в замкнутых контурах привода двигателя и повышении его КПД.

Получение технического результата достигается за счет того, что поршневое устройство двигателя выполнено в виде двух соосно установленных по вертикали и кинематически связанных между собой верхнего и нижнего поршней со штоками, а их механическое соединительное устройство выполнено в виде четырехшатунного шарнирного механизма, в котором длина двух одинаковых верхних шатунов, кинематически связанных со штоком нижнего поршня, выполнена больше длины двух одинаковых нижних шатунов, кинематически связанных со штоком верхнего поршня для образования шарнирного привода с одной вертикальной осью симметрии.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 изображен общий вид многопоршневого двигателя, в котором поршневое устройство выполнено в виде двух соосно установленных по вертикали O₃O₄ и кинематически связанных между собой верхнего 1 и нижнего 2 поршней со штоками, расположенными по одну сторону от ведомых кривошипов 3 и 4, а их механическое соединительное устройство выполнено в виде четырехшатунного шарнирного механизма, в котором длина двух одинаковых верхних шатунов 5 и 6, кинематически связанных со штоком 7 нижнего поршня 2, выполнена больше длины двух одинаковых нижних шатунов 8 и 9, кинематически связанных со штоком 10 верхнего поршня 1 для выполнения неравенства длин упомянутых шатунов:

(l₅=l₆) > (l₈=l₉), (1)

где l₅,l₆,l₈,l₉ - соответственно длины шатунов 5, 6, 8, и 9, образующих шарнирный механизм с одной вертикальной осью симметрии O₃O₄.

Верхний 1 и нижний 2 поршни выполнены одинакового диаметра, их наружная поверхность выполнена сферической, а сами поршни установлены внутри неподвижного корпуса 11. Четырехшатунный шарнирный механизм выполнен в виде шарнирного шестизвенника AGLBNM с одной расположенной вертикально осью симметрии O₃O₄, у которого два верхних шатуна 5 и 6 шарнирно соединены между собой через трехшарнирное звено 12, подвижно соединенное со штоком 7 нижнего поршня 2, например, через сферический шарнир Е, а два нижних шатуна 8 и 9 шарнирно соединены между собой через трехшарнирное звено 13, подвижно соединенное со штоком 10 верхнего поршня 1, например, через одноподвижную вращательную кинематическую пару T.

Обе пары верхних 5 и 6 и нижних 8 и 9 шатунов выполнены в виде двухшарнирных рычажных звеньев с параллельными осями вращения всех соединительных шарниров, а также соединены между собой и с обоими ведомыми кривошипами 3 и 4 через двойные цилиндрические шарниры A и B с параллельными осями вращения.

Ведомые кривошипы 3 и 4 сблокированы с зубчатыми колесами 14 и 15, установленными на осях O₁ и O₂ упомянутых кривошипов и выполненными с одинаковым числом зубьев для обеспечения синхронного вращения упомянутых кривошипов 3 и 4 в противоположных между собой направлениях с одинаковой угловой скоростью через внешнее зацепление между собой упомянутых зубчатых колес 14 и 15.

На фиг.2 представлен вариант выполнения многопоршневого двигателя, в котором нижний поршень 2 выполнен с внутренним цилиндрическим отверстием, диаметр которого равен диаметру верхнего поршня 1, а упомянутый верхний поршень установлен внутри упомянутого нижнего поршня 2 в указанное цилиндрическое отверстие.

Работа представленного многопоршневого двигателя заключается в следующем.

Совместное движение в противоположных направлениях обоих поршней 1 и 2 с различными скоростями и преобразуется через четырехшатунный шарнирный шестизвенник AGLBNM в синхронное вращение ведомых кривошипов 3 и 4. Выполнение в шестизвеннике AGLBNM с одной вертикальной осью симметрии O₃O₄ длины двух верхних шатунов 5 и 6 (где l₅=l₆) больше длины двух нижних шатунов 8 и 9 согласно неравенству (1) позволяет (за счет регулирования соотношения скоростей и поршней 1 и 2) изменять термодинамический цикл данного теплового двигателя и за счет его приближения к идеальному циклу Карно (Х. Кухлинг «Справочник по физике» - Москва, Мир, 1982, с.185) повысить КПД теплового двигателя.

Достигаемый положительный эффект заключается в упрощении конструкции, уменьшении числа избыточных связей при ее сборке и повышении КПД многопоршневого двигателя.

Изобретение может быть использовано в рычажных механизмах тепловых двигателей. Многопоршневой двигатель содержит поршневое устройство в виде совместно работающих поршней (1), (2) со штоками, кинематически связанными с ведомыми кривошипами (3), (4) через механическое соединительное устройство преобразования поступательного движения поршней (1), (2) во вращательное движение ведомых кривошипов (3), (4). Поршневое устройство выполнено в виде двух соосно установленных по вертикали и кинематически связанных между собой верхнего и нижнего поршней (1), (2) со штоками (7), (10), расположенных по одну сторону от ведомых кривошипов (3), (4). Механическое соединительное устройство выполнено в виде четырехшатунного шарнирного механизма (5), (6), (8), (9). Длина двух одинаковых верхних шатунов (5), (6), кинематически связанных со штоком (7) нижнего поршня (2), выполнена больше длины двух одинаковых нижних шатунов (8), (9), кинематически связанных со штоком(10) верхнего поршня (1). Технический результат заключается в упрощении конструкции многопоршневого двигателя. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Многопоршневой двигатель, содержащий поршневое устройство в виде совместно работающих поршней со штоками, кинематически связанных с ведомыми кривошипами через механическое соединительное устройство преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение ведомых кривошипов, отличающийся тем, что поршневое устройство выполнено в виде двух соосно установленных по вертикали и кинематически связанных между собой верхнего и нижнего поршней со штоками, расположенных по одну сторону от ведомых кривошипов, а механическое соединительное устройство выполнено в виде четырехшатунного шарнирного механизма, в котором длина двух одинаковых верхних шатунов, кинематически связанных со штоком нижнего поршня, выполнена больше длины двух одинаковых нижних шатунов, кинематически связанных со штоком верхнего поршня.

2. Многопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что верхний и нижний поршни выполнены одинакового диаметра и установлены внутри неподвижного корпуса.

3. Многопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что нижний поршень выполнен с внутренним цилиндрическим отверстием, диаметр которого равен диаметру верхнего поршня, а упомянутый верхний поршень установлен внутри упомянутого нижнего поршня в указанное цилиндрическое отверстие.

4. Многопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что четырехшатунный шарнирный механизм выполнен в виде шарнирного шестизвенника с одной расположенной вертикально осью симметрии, у которого два верхних шатуна шарнирно соединены между собой через трехшарнирное звено, подвижно соединенное со штоком нижнего поршня, например через сферический шарнир, а два нижних шатуна шарнирно соединены между собой через трехшарнирное звено, подвижно соединенное со штоком верхнего поршня, например, через одноподвижную вращательную кинематическую пару.

5. Многопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что обе пары верхних и нижних шатунов выполнены в виде двухшарнирных рычажных звеньев с параллельными осями вращения всех соединительных шарниров, а также соединены между собой и с обоими ведомыми кривошипами через двойные цилиндрические шарниры с параллельными осями вращения.

6. Многопоршневой двигатель по п.1, отличающийся тем, что ведомые кривошипы сблокированы с зубчатыми колесами, установленными на осях упомянутых кривошипов, и выполнены с одинаковым числом зубьев для обеспечения синхронного вращения упомянутых кривошипов в противоположных между собой направлениях с одинаковой угловой скоростью через внешнее зацепление между собой упомянутых зубчатых колес.

7. Многопоршневой двигатель по п.2, отличающийся тем, что наружная поверхность обоих поршней выполнена сферической.