Способ и механическое устройство совместного движения поршней в двухпоршневом двигателе 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 вращающихся рабочих органов.

Известен способ совместного движения поршней в V-образном двигателе, в котором оба поршня совместно перемещаются по разным плоскостям по пересекающимся между собой направляющими в противоположных направлениях - когда один поршень идет вверх, то другой поршень движется вниз (А.Ф. Крайнев. Механика машин. Фундаментальный словарь // М.: Машиностроение. - 2020, с.440, схемы (а) и (б)) - аналог.

Недостатком известного способа является движение поршней по пересекающимся направлениям в противоположных направлениях, приводящее к несовпадению термодинамического цикла работы двигателя с идеальным циклом Карно преобразования тепловой энергии в механическую энергию вращения ведомых кривошипов, что приводит к низкому КПД двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому эффекту является способ совместного движения поршней в двухпоршневом оппозитном двигателе, заключающийся в том, что оба поршня одновременно перемещают по разным прямолинейным направляющим, расположенным в параллельных плоскостях и задают им встречное движение с одинаковой для обоих поршней скоростью (И.И. Артоболевский. Механизмы в современной технике. Т.2. Кулисно-рычажные и кривошипно-ползунные механизмы. М.: Наука. - 1979 - стр.487, схема 1496) - прототип.

Недостатками указанного способа движения поршней в оппозитном двигателе является отсутствие возможности регулирования термодинамического цикла при движении обоих поршней с одинаковой скоростью для его приближения к идеальному циклу Карно с наибольшим КПД (Кухлинг Х., Справочник по физике. // М.: Мир. - 1982 - стр.185-187).

Другими недостатками указанного прототипа в виде механического устройства совместного движения поршней в двухпоршневом оппозитном двигателе, выполненного в виде расположенного в разных плоскостях сдвоенного кривошипно-шатунного механизма является сложность конструкции и большие пространственные габариты двигателя.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции двигателя, снижении его габаритов и повышении КПД преобразования тепловой энергии в механическую энергии вращения кривошипов.

Получение технического результата достигается за счет того, что в способе совместного движения поршней в двухпоршневом двигателе, упомянутые поршни перемещают по направляющим, расположенным в одной плоскости на одной вертикальной прямой линии и сообщают им совместное движение в одном и том же для обоих поршней направлении с неодинаковыми между собой переменными скоростями таким образом, что при перемещении упомянутых поршней как в одну, так и в другую сторону, верхний поршень перемещают с большей скоростью, чем нижний поршень для обеспечения увеличения рабочего объема между этими поршнями при их совместном движении в одну сторону или уменьшения рабочего объема между этими поршнями при их совместном противоположном движении в другую сторону.

Применительно к механическому устройству совместного движения поршней, реализующему указанный в изобретении способ, данное механическое устройство выполнено в виде двух установленных один внутри другого и кинематически связанных между собой механизмов, содержащих по два трехшарнирных шатуна одинаковой длины, установленных симметрично вертикальной направляющей обоих поршней для кинематической связи нижнего и верхнего поршней с ведомыми кривошипами через цилиндрические шарниры, выполненные с параллельными между собой осями вращения.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На чертеже представлен общий вид механического устройства, реализующего предлагаемый способ совместного движения поршней в двухпоршневом двигателе, при котором в процессе их совместного движения в одном направлении один из них перемещают с большей скоростью по сравнению со скоростью другого поршня.

Указанное механическое устройство совместного движения верхнего 1 и нижнего 2 поршней со штоками содержит замкнутую кинематическую цепь рычажных звеньев 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10, шарнирно соединенных между собой и со штоками обоих соосно расположенных верхнего 1 и нижнего 2 поршней, а также с обоими ведомыми кривошипами 11 и 12 с осями вращения О₁ и О₂. Данное механическое устройство выполнено в виде двух установленных один внутри другого и кинематически связанных между собой наружного механизма GCPDL и внутреннего механизма MEPFN, где наружный механизм GCPDL содержит два трехшарнирных шатуна ACG и BDL одинаковой длины (AG=BL), а внутренний механизм MEPFN тоже содержит другие два трехшарнирных шатуна CEP и PFD также одинаковой длины (CP=PD), которые установлены симметрично вертикальной направляющей в виде прямой линии O₃O₄. Шатуны ACG, BDL и CEP, PFD кинематически связывают шток нижнего поршня 2 и шток верхнего поршня 1 с ведомыми кривошипами 11 и 12, а также внутренний MEPFN и наружный GCPDL механизмы между собой через цилиндрические шарниры A, C, G, L, D, B, E, M, T, N, F и P, выполненные с параллельными между собой осями вращения, которые вместе с поршнями 1 и 2 установлены по одну сторону от ведомых кривошипов 11 и 12.

Предлагаемое механическое устройство, осуществляющее заявляемый способ совместного движения поршней в двухпоршневом двигателе, работает следующим образом.

При движении верхнего поршня 1 в плоскости по вертикальной прямой линии О₃О₄ с большей скоростью , чем движение нижнего поршня 2 с меньшей скоростью в одну сторону (например, вверх) происходит требуемое увеличение рабочего объема между поршнями 1 и 2, а при их совместном движении в другую сторону (например, вниз по прямой О₃О₄), наоборот происходит требуемое уменьшение рабочего объема между поршнями 1 и 2, что обеспечивает приближение термодинамического цикла двигателя к идеальному циклу Карно и приводит к увеличению КПД теплового двухпоршневого двигателя (Кухлинг Х., Справочник по физике. // М.: Мир. - 1982 - стр.185-187).

Достигаемый в предлагаемом изобретении положительный эффект заключается в следующем:

1. Упрощение конструкции и процесса сборки предлагаемого механического устройства совместного движения обоих поршней за счет расположения всех рычажных звеньев и направляющих этих поршней в одной плоскости и выполнения всех шарнирных соединений цепи с параллельными осями вращения.

2. Уменьшение пространственных габаритов теплового двухпоршневого двигателя за счет расположения обоих поршней и обоих механизмов по одну сторону от ведомых кривошипов.

3. Увеличение КПД процесса преобразования в данном двухпоршневом двигателе тепловой энергии в механическую энергию вращения ведомых кривошипов (а, следовательно, и возможность увеличения выходной мощности теплового двигателя) - достигается за счет реализации способа совместного движения обоих поршней, при котором в процессе движения верхнего поршня с большей скоростью - происходит требуемое (согласно цикла Карно по графику в книге Кухлинг Х., Справочник по физике. // М.: Мир. - 1982 - стр.185) увеличение рабочего объема между поршнями 1 и 2 при их совместном движении вверх, а затем при совместном движении обоих поршней с в обратном направлении (т.е. вниз) - происходит требуемое по циклу Карно уменьшение рабочего объема между этими соосно установленными поршнями 1 и 2.

Изобретение может быть использовано в рычажных механизмах тепловых двигателей. Способ совместного движения поршней в двухпоршневом двигателе заключается в том, что возвратно-поступательное движение поршней (1), (2) по направляющим преобразуют во вращательное движение ведомых кривошипов (11), (12). Поршни (1), (2) перемещают по направляющим, расположенным в одной плоскости на одной вертикальной прямой линии, и сообщают им совместное движение в одном и том же для обоих поршней направлении с неодинаковыми между собой переменными скоростями. При перемещении поршней (1), (2) как в одну, так и в другую сторону верхний поршень (1) перемещают с большей скоростью, чем нижний поршень (2) для обеспечения увеличения рабочего объема между этими поршнями при их совместном движении в одну сторону или уменьшения рабочего объема между этими поршнями при их совместном противоположном движении в другую сторону. Раскрыто механическое устройство совместного движения поршней (1), (2) в двухпоршневом двигателе. Технический результат заключается в упрощении конструкции двигателя и в снижении его габаритов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ совместного движения поршней в двухпоршневом двигателе, заключающийся в том, что возвратно-поступательное движение поршней по направляющим преобразуют во вращательное движение ведомых кривошипов, отличающийся тем, что поршни перемещают по направляющим, расположенным в одной плоскости на одной вертикальной прямой линии, и сообщают им совместное движение в одном и том же для обоих поршней направлении с неодинаковыми между собой переменными скоростями таким образом, что при перемещении упомянутых поршней как в одну, так и в другую сторону верхний поршень перемещают с большей скоростью, чем нижний поршень для обеспечения увеличения рабочего объема между этими поршнями при их совместном движении в одну сторону или уменьшения рабочего объема между этими поршнями при их совместном противоположном движении в другую сторону.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе совместного движения обоих поршней по направляющей в одном направлении, изменяют соотношение скоростей их движения, например, от минимума в начале их движения до максимума в середине этого движения.

3. Механическое устройство совместного движения поршней в двухпоршневом двигателе, содержащее замкнутую кинематическую цепь рычажных звеньев, шарнирно соединенных между собой и со штоками обоих соосно расположенных поршней, отличающееся тем, что механическое устройство выполнено в виде двух установленных один внутри другого и кинематически связанных между собой наружного и внутреннего механизмов, содержащих по два трехшарнирных шатуна одинаковой длины, установленных симметрично вертикальной направляющей обоих поршней для кинематической связи нижнего и верхнего поршней с ведомыми кривошипами через цилиндрические шарниры, выполненные с параллельными между собой осями вращения, причем при перемещениипоршней как в одну, так и в другую сторону верхний поршень перемещают с большей скоростью, чем нижний поршень.

4. Механическое устройство по п. 3, отличающееся тем, что наружный и внутренний механизмы, совместно с нижним и верхним поршнями, установлены по одну сторону от ведомых кривошипов.