ПОРШНЕВАЯ МАШИНА
PISTON MACHINE

Изобретение относится к механике и может быть использовано в конструкциях двигателей внутреннего сгорания (ДВС), двигателей с внешним подводом теплоты (двигатели Стирлинга), компрессоров и других поршневых машин.
Известен двухскоростной ДВС, содержащий основной узел, включающий в себя множество радиально расходящихся цилиндров, заканчивающихся верхними растворами и имеющих внутри поршни, шатунный механизм с коленчатым валом и устройства зажигания, где также содержатся: кольцевой элемент, скрепляющий верхние концы цилиндров и имеющий газовые уплотнения, охватывающие верхние растворы цилиндров; корпус с устройствами зажигания, имеющий выполненные в нем впускные и выпускные окна для движения газов с возможностью непосредственного взаимодействия с верхними растворами цилиндров и планетарная передача для согласованного вращения коленчатого вала, корпуса и основного узла, помещенного внутрь корпуса в одну ось с ним. При этом основной узел подводит по очереди верхние растворы цилиндров для прямого взаимодействия с впускными и выпускными окнами и устройствами зажигания. Рабочий процесс происходит без использования клапанного механизма, патент Украины без экспертизы по существу №24536А, F01B 1/00, F01B 13/00, опубликован 21.07.1998, бюллетень №0.
Недостаток известного двигателя заключается в невозможности организации в цилиндрах двухстороннего рабочего процесса.
Известна поршневая машина, которая содержит: корпус, в котором на опорах установлены эксцентричные валы с параллельными осями, блоки цилиндров в виде двух дугообразных элементов, на каждом из которых установлена пара оппозитных цилиндров, поршни в которых имеют возможность возвратно-поступательного движения, и вал отбора мощности. Элементы поршневой машины охвачены кольцом, на внутренней поверхности которого жестко закреплены штоки с поршнями, обеспечено следующее: Радиально размещенные цилиндры скомпонованы в общий блок цилиндров, который установлен в картере с возможностью вращения вокруг оси-распределителя. Кольцо, которое охватывает элементы поршневой машины, жестко соединено с фланцем вала отбора мощности. Поршни с помощью пальцев через шатуны шарнирно соединены с внутренней поверхностью кольца. Блок цилиндров и вал отбора мощности установлены с возможностью синхронного вращения, что обеспечивает синхронизирующий механизм, состоящий из шестерни блока цилиндров, шестерни вала отбора мощности и синхронизирующих шестерен, установленных в корпусе, патент Украины на изобретение №32462, F01B 13/06, опубликован 15.12.2000, бюллетень №7 (прототип).
Недостаток прототипа - концентрация тепловыделения внутри машины, что может вызвать тепловые деформации цилиндров, затруднить реализацию системы охлаждения и, как следствие, уменьшить надежность, к тому же отсутствует возможность осуществления двухстороннего рабочего процесса в цилиндрах.
Известен кулисно-рычажный механизм обращенного эллипсографа №1005, в котором диск, посаженный на вал, снабжен двумя взаимно перпендикулярными прорезями, оси которых пересекаются в оси вала. В этих прорезях скользят ползуны, шарнирно соединенные подвижным звеном, входящим во вращательную пару с ползуном-поршнем, скользящим в неподвижных направляющих. За один оборот вала ползуны на вращающемся диске и ползун-поршень в неподвижных направляющих совершают два двойных хода каждый, И.И.Артоболевский, "Механизмы в современной технике" в 7 томах, Москва, "Наука", 1979.
Известен шатунно-ползунный механизм с двумя ползунами №1415, в котором ползуны, входящие в кинематические пары с шатуном, совершают возвратно-поступательное движение в неподвижных направляющих. Угол между осями направляющих может быть любым, И.И.Артоболевский, "Механизмы в современной технике" в 7 томах, Москва, "Наука", 1979.
Известен кулачково-рычажный механизм иглы швейной машины №1396, в котором диск, вращающийся вокруг неподвижной оси, снабжен прорезями, оси которых смещены по отношению к оси диска. В прорезях скользят ползуны, шарнирно соединенные с шатуном, который сообщает ползуну и соединенной с ним игле возвратно-поступательное движение, И.И.Артоболевский, "Механизмы в современной технике" в 7 томах, Москва, "Наука", 1979.
Комбинация названных выше механизмов №№1005, 1415, 1396 позволяет получить механизм, в котором диск, посаженный на вал, снабжен двумя прорезями, расположенными под любым углом, ось пересечения которых может быть смещена по отношению к оси диска. В прорезях скользят ползуны, шарнирно соединенные подвижным звеном, входящим во вращательную пару с ползуном-поршнем, скользящим в неподвижных направляющих. За один оборот вала ползуны на диске и ползун-поршень в неподвижных направляющих совершают два двойных хода каждый, причем, в зависимости от угла взаимного расположении прорезей и величины смещения прорезей по отношению к оси вала, движение ползунов в прорезях определенным образом смещено по фазе и отличается по скорости. Полученный новый механизм может найти применение в поршневых машинах, в частности двигателях, для преобразования возвратно-поступательного движения поршней, получающих энергию от расширяющегося рабочего тела, во вращательное движение выходного вала.
Задача изобретения состоит в создании механизма преобразования движения поршневой машины, в частности двигателя, который позволил бы в цилиндрах вращающегося ротора организовать согласованное возвратно-поступательное движение поршней с осуществлением рабочих процессов в каждой из полостей цилиндров, с возможностью распределения рабочего тела без использования клапанов.
Технический результат достигается тем, что в корпусе установлен шатун-распределитель, а по обе стороны от него закреплены обечайки с выпускными окнами, имеющие крышки, в которых установлены выходной вал и диски составного ротора. Последние имеют возможность синхронного вращения посредством зубчатой связи с выходным валом в таком положении цилиндров в дисках, когда проекции их осей взаимно перпендикулярны или отвечают другому конструктивно заданному углу взаимного расположения, допустимому по условиям работоспособности известного шатунно-ползунного механизма с двумя ползунами №1415 (конструктивная реализация возможна при отклонении проекций осей цилиндров от перпендикулярности до 60 градусов). Поршни, находящиеся в цилиндрах составного ротора посредством пальцев шатуна-распределителя, взаимно связаны. Другой конец шатуна-распределителя шарнирно связан посредством пальца с ползуном-поршнем, находящимся в цилиндре на корпусе. Получена ранее рассмотренная комбинация механизмов №№1005, 1415, 1396 с условиями, что диск, имеющий прорези, эквивалентно заменен составным ротором, в дисках которого установлены цилиндры; ползуны выполняют функцию поршней. За один оборот вала составного ротора поршни в дисках и поршень в цилиндре, установленном на корпусе, совершают два двойных хода каждый. Цилиндр, установленный на корпусе, совместно с поршнем, совершающим в нем возвратно-поступательные движения, образуют вспомогательную поршневую машину "Компрессор" ("Насос"), выполняющую функцию обслуживания рабочих процессов основной машины.
На фиг.1 изображен упрощенный чертеж отдельного блока поршневой машины, вид спереди; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б1-Б1 на фиг.2, соответствующий положению составляющих элементов разреза поршневой машины, реализованной в качестве ДВС, изображенному на фиг.2; на фиг.4 - разрез Б2-Б2 на фиг.2 с изображением положений составляющих элементов поршневой машины, реализованной в качестве ДВС при повороте диска ротора на угол 45 градусов по часовой стрелке по отношению к положению на фиг.3; на фиг.5 - разрез Б3-Б3 на фиг.2 с изображением положений составляющих элементов поршневой машины, реализованной в качестве ДВС при повороте диска ротора на угол 90 градусов по часовой стрелке по отношению к положению на фиг.3; на фиг.6 - разрез Б4-Б4 на фиг.2 с изображением положений составляющих элементов поршневой машины, реализованной в качестве ДВС при повороте диска ротора на угол 135 градусов по часовой стрелке по отношению к положению на фиг.3; на фиг.7 - шатун-распределитель, вид спереди; на фиг.8 - разрез В-В шатуна-распределителя на фиг.7.
На фиг.9 изображен упрощенный чертеж поршневой машины, состоящей из четырех блоков в одном корпусе, вид спереди; на фиг.10 - разрез Г-Г на фиг.9 поршневой машины, реализованной в качестве ДВС.
На фиг.11 изображен разрез Д-Д на фиг.1 отдельного блока поршневой машины, реализованной в качестве двигателя Стирлинга.
На фиг.12 изображен разрез Б5-Б5 на фиг.2 с изображением одного из положений составляющих элементов поршневой машины для исполнения в качестве компрессора; на фиг.13 изображен разрез Б6-Б6 на фиг.2 с изображением одного из положений, отличающийся, для наглядности, от положения на фиг.12, составляющих элементов поршневой машины для исполнения в качестве компрессора.
Поршневая машина, исполненная в качестве ДВС, содержит состоящий из двух симметричных частей, скрепленных вместе, корпус 1. Шатун-распределитель 2 шарнирно соединен посредством пальца 3 с поршнем 4, который совершает возвратно-поступательные движения в цилиндре 5, установленном на прилегающих частях корпуса 1. Обечайки 6, установленные в частях корпуса 1 с крышками 7, замыкают внутреннее пространство машины. В крышках 7 шарнирно в одну ось с обечайками 6 установлены диски 8, которые посредством зубчатых колес 9, 10 и вала 11 образуют составной ротор из дисков 8. В цилиндрах 12, установленных в дисках 8, поршни 13 имеют шарнирную связь с шатуном 2 посредством пальцев 14. На торцевых поверхностях дисков 8 вокруг пазов "а" установлены газовые уплотнения 15, а на цилиндрических поверхностях дисков 8 вокруг выходов цилиндров 12 установлены газовые уплотнения 16. В обечайках 6 установлены форсунки 17. Все поршни в цилиндрах имеют газовые уплотнения, не показанные на чертежах. Не показаны также элементы систем охлаждения, смазки, питания, подготовки воздуха и отвода отработавших газов. Предпочтительным рабочим положением поршневой машины является положение горизонтального расположения оси выходного вала и осей цилиндров, установленных на корпусе.
Поршневая машина, исполненная в качестве двигателя Стирлинга (см. фиг.11), по отношению к поршневой машине, исполненной в качестве ДВС, не содержит форсунок 17, но дополнительно содержит: условно изображенные элементы, обозначенные буквами, Х - холодильник (охладитель), Р - регенератор, Н - нагреватель; заслонки 18, установленные в дисках 8 на выходе каждого цилиндра 12; газовые уплотнения 19 взамен газовых уплотнений 16. В обечайках 6 отсутствуют окна выпуска "b", а выполнены кольцевые каналы е, f, g, h, имеющие выходы на магистрали, по которым рабочее тело из цилиндров 12 последовательно проходит через Х - холодильник (охладитель), Р - регенератор, Н - нагреватель и обратно. Компрессор (насос), составляющими элементами которого являются поршень 4 и цилиндр 5, выполняет функцию нагнетания рабочего тела в цилиндры 12 и поддержания в них необходимого его давления. На чертеже не показаны элементы системы подвода теплоты к нагревателю и системы отвода теплоты от охладителя, а также элементы вспомогательных систем, обслуживающих рабочий процесс. С целью наглядности на чертеже не выдержаны пропорции в изображении элементов.
Поршневая машина, исполненная в качестве компрессора (см. фиг.12 и фиг.13) по отношению к поршневой машине, исполненной в качестве ДВС, при другом исполнении обечайки 6, за некоторыми исключениями, понятными при рассмотрении чертежей фиг.12 и фиг.13, при сопоставлении с фиг.3 - фиг.6, дополнительно содержит невозвратный клапан 21, установленный на выпускном окне, выполненном в обечайке 6.
Работа поршневой машины в случае ее использования в качестве ДВС заключается в преобразовании в цилиндрах ротора возвратно-поступательного движения поршней, получающих движение от расширяющихся при сгорании горючей смеси газов, во вращательное движение выходного вала. Вал одновременно синхронно связывает посредством зубчатых колес вращающиеся диски, являющиеся частями ротора.
Поршневая машина в случае ее использования в качестве ДВС работает следующим образом.
Работу машины поясняют чертежи (фиг.3 - фиг.6), составные элементы изображены на фиг.2, фиг.7, фиг.8, фиг.9, фиг.10.
На фиг.3 в цилиндре 12, установленном в диске 8, в полости справа от поршня 13 заканчивается продувка ввиду того, что цилиндр 12 во вращающемся диске покидает зону выпуска "b", выполненную в виде окон в обечайке 6. В полости слева от поршня 13 происходит процесс сгорания горючей смеси. Продукты сгорания, расширяясь, создают давление и толкают поршень 13 вправо. Полости цилиндра 12 герметизируют газовые уплотнения 15 и 16.
На фиг.4 в цилиндре 12, установленном в диске 8, в полости справа внизу от поршня 13 происходит процесс сжатия воздуха. В полости слева вверху от поршня 13 закончился процесс сгорания горючей смеси и начался процесс выпуска отработанных газов ввиду того, что цилиндр 12 во вращающемся диске вошел в зону выпуска "b", выполненную в обечайке 6.
На фиг.5 в цилиндре 12, установленном в диске 8, в полости под поршнем 13 закончился процесс сжатия воздуха. Через форсунку 17 в цилиндр 12 подается топливо, начинается процесс сгорания горючей смеси, продукты сгорания, расширяясь, создают давление и толкают поршень 13 вверх. В полости над поршнем 13 продолжается процесс выпуска отработанных газов. Кроме того, начинается процесс продувки ввиду того, что выполненный в диске 8 и проникающий в цилиндр 12 паз "a" соединил через паз "с" и канал "d", выполненные в шатуне-распределителе 2, полость над поршнем 13 с полостью под поршнем 4. В эту полость нагнетает воздух компрессор, рабочим элементом которого является поршень 4, совершающий возвратно-поступательные движения в цилиндре 5. Полость под поршнем 4 связана трубопроводом с ресивером, в котором аккумулируется сжатый воздух, вырабатываемый компрессором (элементы компрессора на чертежах не показаны).
На фиг.6 в цилиндре 12, установленном в диске 8, в полости слева внизу от поршня 13 происходит процесс сгорания горючей смеси. Продукты сгорания, расширяясь, создают давление и толкают поршень 13 вправо вверх. В полости справа вверху продолжается процесс продувки.
Следующим положением элементов поршневой машины будет положение, изображенное на фиг.3.
Такие же процессы происходят и в другом симметричном диске, являющемся частью составного ротора поршневой машины, используемой в качестве ДВС.
Поршневая машина в случае ее использования в качестве двигателя Стирлинга работает следующим образом (см. чертеж фиг.11).
При вращении составного ротора, состоящего из дисков 8, установленных в левой и правой частях корпуса 1, объемы полостей цилиндров 12 в дисках 8 изменяются, причем максимальное и минимальное значения объемов надпоршневой и подпоршневой полостей в названных частях корпуса 1 сдвинуты на 90 градусов по углу поворота дисков 8. Надпоршневая полость правого цилиндра 12 связана посредством нагревателя (Н), регенератора (Р) и охладителя (X) с надпоршневой полостью левого цилиндра 12. Соответственно, подпоршневая полость правого цилиндра 12 связана посредством нагревателя (Н), регенератора (Р) и охладителя (X) с подпоршневой полостью левого цилиндра 12. Таким образом, образованы два замкнутых контура рабочего тела с горячей и холодной полостями, в которых при вращении составного ротора, состоящего из дисков 8, сдвиг по фазе между величиной объемов составляет 90 градусов. Направление вращения составного ротора, состоящего из дисков 8, определяет, в каком из объемов (горячий или холодный) поршень 13 первым достигнет мертвой точки. Для реализации двигателя Стирлинга направление вращения выбрано таким, чтобы горячий поршень опережал холодный на сдвиг по фазе 90 градусов. Вращение составного ротора, состоящего из дисков 8, вызывает циклическое изменение объемов холодных и горячих полостей, причем вследствие изменения суммарного объема замкнутых контуров происходит сжатие и расширение рабочего тела. Причем в состоянии, когда рабочее тело находится преимущественно в холодной полости, осуществляется его сжатие, а когда рабочее тело находится преимущественно в горячей полости, осуществляется его расширение. Поскольку работа сжатия холодного рабочего тела меньше работы сжатия горячего рабочего тела в цикле, вырабатывается полезная работа, передаваемая давлением рабочего тела на поршни 13 и далее на вал составного ротора, состоящего из дисков 8. В соответствии с известным принципом работы двигателей Стирлинга в состав теплообменного аппарата включены нагреватели (Н), осуществляющие подвод теплоты к рабочему телу, поступающему в горячие полости, регенераторы (Р) и охладители (X), отводящие теплоту сжатия от рабочего тела, вышедшего из холодных полостей.
Поршневая машина, исполненная в качестве компрессора, работает следующим образом (см. чертежи фиг.12 и фиг.13).
На фиг.12 газ по каналу "k" поступает в полость цилиндра 12, находящуюся слева от поршня 13. При вращении диска 8 по направлению, указанному стрелкой, поршень 13 в цилиндре 12, в полости справа, сжимает газ, перемещаясь по направлению стрелки. На фиг.13 сжатый газ через невозвратный клапан 21 поступает в напорную магистраль "l".
Лучшим вариантом исполнения поршневой машины по предлагаемому изобретению может быть агрегат из четырех блоков, помещенных в общий корпус 1, со связью между блоками с помощью зубчатых колес 20, насаженных на валы дисков 8. На фиг.9 изображен общий вид такого агрегата. На фиг.10 - разрез Г-Г на фиг.9. Стрелками показаны направления вращения каждого вала. Крутящий момент в исполнениях поршневой машины "ДВС", "Двигатель Стирлинга" снимается с двух валов дисков 8, расположенных по диагонали, и передается зубчатыми колесами 9 и 10 на общий вал 11, установленный в крышках 7 обечаек 6, установленных по обе стороны разъема корпуса 1, или передается в обратной последовательности на валы дисков 8 в исполнении поршневой машины "Компрессор". Общий вал 11 является также элементом синхронизации дисков 8, являющихся попарно частями составных роторов и расположенных по разные стороны плоскости симметрии агрегата, совпадающей с плоскостью разъема корпуса 1. Моменты инерции масс в таком агрегате уравновешены встречными движениями элементов. Агрегат в таком исполнении отличается компактностью.