МОТОКОМПРЕССОР
ENGINE-COMPRESSOR UNIT

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к производству мотокомпрессоров.
Известен свободнопоршневой двигатель-мотокомпрессор, содержащий картер с установленными в нем основным цилиндром, оборудованным устройствами для подачи и воспламенения топлива, дополнительный цилиндр с поршнем, отделенным от картера перегородкой и снабженный уплотнением по штоку, сочлененным с поршнем основного цилиндра, и расположенные на стороне основного цилиндра уравновешивающие узлы с цилиндрами, имеющими впускные и выпускные каналы, и поршневые группы, связанные через передаточный механизм со штоком (см. АС СССР №928050, F02В 71/00, опубл. 15.05.82, бюл. №18). Недостаток свободнопоршневого двигателя-компрессора состоит в большом габарите и массе из-за наличия основного и дополнительного цилиндров и отсутствия у него крутящего момента для привода в движение мобильной техники.
Известен мотокомпрессор, содержащий корпус, на котором установлены рабочие и компрессорные цилиндры и реечно-шестеренчатый механизм синхронизации поршней (см. патент RU №2086805 C1, F04В 35/00, F01В 23/02, опубл. 10.08.97 бюл. №22). Известен реактивно-поршневой двигатель, у которого поршневой двигатель внутреннего сгорания выполнен в виде мотокомпрессора, имеющего, по меньшей мере, два рабочих и два компрессорных цилиндра, размещенных параллельно друг другу, при этом выпуск газов и воздуха из рабочих и компрессорных цилиндров подключен к потребителю (см. патент RU 2094630 C1, F02В 61/04, опуб. 27.10.97. бюл. №30). Недостаток мотокомпрессоров состоит в большом габарите, массе, стоимости изготовления и эксплуатации из-за параллельного размещения рабочих и компрессорных цилиндров.
Известен мотокомпрессор, включающий в себя двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер цилиндрической формы и головку с впускными и выпускными клапанами (см.патент RU 2044164 C1, F04C 23/02, F02B 53/00, 1995 г). Недостаток мотокомпрессора состоит в его большом габарите по длине из-за размещения в параллельных плоскостях на одном валу секции компрессора и трех секций двигателя внутреннего сгорания, соответственно большой массе, стоимости изготовления и эксплуатации.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер цилиндрической формы, вал коленчатый с круглыми щеками, не менее чем одну пару шатунов, соединенных непосредственно с шатунной шейкой вала коленчатого или когда один из каждой пары шатунов, называемый прицепной, шарнирно соединен с другим главным шатуном, соединенным с шатунной шейкой, головку с впускным и выпускным клапанами, свечой зажигания или форсункой у дизеля, количество головок с клапанами, свечей зажигания или форсунок у дизеля равно количеству пар шатунов, головки размещены внутри картера симметрично относительно его внутренней образующей между щек вала коленчатого, к каждому из каждой пары шатунов шарнирно присоединено по одному коромыслу, имеющему кинематическую связь с соответствующей головкой так, что клапаны и свеча зажигания или форсунка у дизеля находятся между шарнирами, ширина каждого шатуна, коромысла и длина головки равна расстоянию между щеками вала коленчатого, а суммарная длина шатунов в каждой паре равна или меньше суммарной длины присоединенных к ним коромысел и ширины головки (см. патент РФ №2300002 C1, F02В 75/36, опубл. 27.05.2007, бюл. №15). Недостаток двигателя состоит в отсутствии компрессора. Однако двигатель можно преобразовать в мотокомпрессор без снижения его мощности, без увеличения его габарита при незначительном увеличении массы и стоимости изготовления и расширить сферу его применения в качестве силовой установки мобильной техники.
Техническая задача преобразования двигателя в мотокомпрессор решается установкой между верхней частью картера и щеками вала коленчатого U-образной пластины, образованием между ними объема компрессора и делением его коромыслами и шатунами двигателя на всасывающую и нагнетательную полости.
Таким образом мотокомпрессор, включающий в себя двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер цилиндрической формы и головку с впускным и выпускным клапанами, согласно изобретению отличается тем, что мотокомпрессор включает в себя газоочиститель и нагнетательный ресивер, двигатель внутреннего сгорания содержит вал коленчатый с круглыми щеками, одну пару шатунов, соединенных непосредственно с шатунной шейкой вала коленчатого, головка выполнена со свечой зажигания или форсункой у дизеля и размещена внутри картера между щеками вала коленчатого, к каждому из шатунов шарнирно присоединено по одному коромыслу, имеющему кинематическую связь с головкой так, что клапаны и свеча зажигания или форсунка у дизеля находятся между шарнирами, ширина каждого шатуна, коромысла и длина головки равна расстоянию между щеками вала коленчатого, а суммарная длина шатунов в паре равна или меньше суммарной длины присоединенных к ним коромысел и ширины головки между их шарнирами, шатунные головки коромысел и кривошипные головки шатунов снаружи содержат радиальные уплотнения длиной равной расстоянию между щеками вала коленчатого, картер напротив головки, между щек вала коленчатого содержит пластину U-образной формы шириной равной расстоянию между щеками вала коленчатого, снабженную торцовыми уплотнениями, шатуны, коромысла и U-образная пластина снаружи содержат ребра охлаждения, картер справа от головки содержит впускной канал, соединяющий газоочиститель с всасывающей полостью компрессора, слева от головки содержит выпускной канал с выпускным клапаном, соединяющим нагнетательную полость компрессора с нагнетательным ресивером, и с атмосферным клапаном, соединяющим выпускной канал с атмосферой, а над головкой содержит обводной канал с перепускным клапаном, соединяющим выпускной канал компрессора с его впускным каналом, верхняя часть картера, U-образная пластина и две щеки вала коленчатого образуют компрессор, а шатуны и коромысла делят объем компрессора на всасывающую полость и нагнетательную полость.
Конструкция предлагаемого мотокомпрессора с одной рабочей полостью двигателя в отсеке и совмещенными кривошипными головками шатунов поясняется фиг.1 - фиг.4.
На фиг.1 приведена кинематическая схема предлагаемого мотокомпрессора в исходном положении.
На фиг.2 приведена кинематическая схема предлагаемого мотокомпрессора после поворота вала коленчатого от исходного положения на четверть оборота.
На фиг.3 приведена кинематическая схема предлагаемого мотокомпрессора после поворота вала коленчатого от исходного положения на две четверти оборота.
На фиг.4 приведена кинематическая схема предлагаемого мотокомпрессора после поворота вала коленчатого от исходного положения на три четверти оборота.
Где: 1 - картер; 2 - головка; 3 - щека вала коленчатого; 4 - крышка торцовая; 5 - клапан впускной; 6 - свеча зажигания бензинового двигателя; 7 - клапан выпускной; 8 - полость для протекания рабочего цикла двигателя; 9 - канал впускной; 10 - канал выпускной; 11 - пластина U-образная; 12 - полость всасывающая; 13 - полость нагнетательная; 14 - клапан перепускной; 15 - канал обводной; 16 - газоочиститель; 17 - полость центральная; 18 - уплотнение радиальное; 19 - клапан выпускной; 20 - ресивер нагнетательный; 21 - клапан атмосферный; О - ось вращения вала коленчатого; С - кривошип вала коленчатого; АБ, ДЕ - коромысла; БК, ДК - шатуны; А, Б, Д, Е, К - шарниры.
Мотокомпрессор включает в себя двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер 1 цилиндрической формы, вал коленчатый с кривошипом С и двумя круглыми щеками 3, головку 2 с впускным клапаном 5 и выпускным клапаном 7, одну пару шатунов БК и ДК, соединенных шарниром К с кривошипом С вала коленчатого и две торцовые крышки 4 служащие опорой вала коленчатого (фиг.1). Головка 2 выполнена со свечой 6 зажигания или форсункой у дизеля и размещена внутри картера 1 между щеками 3 вала коленчатого. К каждому из шатунов БК, ДК шарнирно присоединено по одному коромыслу. К шарниру Б шатуна БК присоединено коромысло АБ, к шарниру Д шатуна ДК присоединено коромысло ДЕ. Коромысло АБ присоединено к головке 2 шарниром А, а коромысло ДЕ присоединено шарниром Е так, что впускной клапан 5, выпускной клапан 7, свеча зажигания 6 или форсунка у дизеля находятся между ее шарнирами А и Е. Ширина каждого шатуна БК, ДК, каждого коромысла АБ, ДЕ и длина головки 2 равна расстоянию между щеками 3 вала коленчатого. Внутренняя поверхность головки 2, коромысел АБ, ДЕ, шатунов БК, ДК и двух щек 3 вала коленчатого образуют полость 8 переменного объема для протекания четырехтактного рабочего цикла двигателя мотокомпрессора. Суммарная длина шатунов БК, ДК в паре равна или меньше суммарной длины присоединенных к ним коромысел АБ, ДЕ и ширины АЕ головки между ее шарнирами А и Е. Шатунные головки коромысел АБ, ДЕ и кривошипные головки шатунов БК, ДК снаружи содержат радиальные уплотнения 18 длиной равной расстоянию между щеками 3 вала коленчатого. Картер 1 напротив головки 2, между щек 3 вала коленчатого содержит пластину 11 U-образной формы шириной равной расстоянию между щеками 3 вала коленчатого, снабженную торцовыми уплотнениями. Верхняя часть картера 1, пластина 11 и две щеки 3 вала коленчатого образуют компрессор. Шатуны БК, ДК, коромысла АБ, ДЕ и их радиальные уплотнения 18 делят объем компрессора на всасывающую полость 12 и нагнетательную полость 13.
Шатуны БК, ДК, коромысла АБ, ДЕ и пластина 11 снаружи содержат ребра охлаждения. Мотокомпрессор выше картера 1 справа от головки 2 содержит газоочиститель 16, а слева от головки 2 содержит нагнетательный ресивер 20. Картер 1 справа от головки 2 содержит впускной канал 9, соединяющий газоочиститель 16 с всасывающей полостью 12 компрессора. Картер 1 слева от головки 2 содержит выпускной канал 10 с выпускным клапаном 19, соединяющим нагнетательную полость 13 компрессора с нагнетательным ресивером 20, и с атмосферным клапаном 21, соединяющим выпускной канал 10 с атмосферой. Картер 1 над головкой 2 содержит обводной канал 15 с перепускным клапаном 14, соединяющим выпускной канал 10 компрессора с его впускным каналом 9.
В исходном положении головка 2 находится вертикально вверху, кривошип С с шарниром К относительно оси О вращения вала коленчатого установлен вертикально вниз (фиг.1). Выпускной клапан 7 и впускной клапан 5 головки 2 открыты. Объем полости 8 минимален, в ней заканчивается такт «выпуск» прежнего четырехтактного рабочего цикла двигателя, продукты сгорания через открытый выпускной клапан 7 вытекают в атмосферу. Перепускной клапан 14 и атмосферный клапан 21 компрессора закрыты. Коромысла АБ, ДЕ, шатуны БК, ДК и радиальные уплотнения 18 кривошипных головок шатунов БК и ДК касаются центрального участка пластины 11, изолируют нагнетательную полость 13 компрессора от его всасывающей полости 12. Газ из газоочистителя 16 по впускному каналу 9 поступил во всасывающую полость 12, в ней протекает такт «впуск» двухтактного рабочего цикла компрессора. Газ в нагнетательной полости 13 сжат, в ней протекает такт «сжатие» двухтактного рабочего цикла компрессора. Давлением газа, сжатого в нагнетательной полости 13, открыт выпускной клапан 19, часть сжатого газа вытеснена по выпускному каналу 10 в нагнетательный ресивер 20 мотокомпрессора.
При повороте вала коленчатого от исходного положения по ходу часовой стрелки на некоторый угол первой четверти оборота выпускной клапан 7 головки 2 закрывают и завершают такт «выпуск» прежнего четырехтактного рабочего цикла двигателя.
В течение первой четверти оборота вала коленчатого коромысло АБ относительно шарнира А неподвижно (фиг.2). Коромысло ДЕ относительно шарнира Е, а шатун БК относительно шарнира Б поворачиваются по часовой стрелке, что увеличивает объем полости 8 двигателя и всасывающей полости 12 компрессора, но одновременно уменьшает объем его нагнетательной полости 13. Через открытый впускной клапан 5 в полость 8 поступает горючая смесь (воздушный заряд у дизеля), что обеспечивает протекание в ней такта «впуск» нового четырехтактного рабочего цикла двигателя. Радиальное уплотнение 18 кривошипной головки шатуна БК скользит по центральному участку пластины 11 и изолирует нагнетательную полость 13 от всасывающей полости 12. Радиальное уплотнение 18 кривошипной головки шатуна ДК отделяется от центрального участка пластины 11. Газ из газоочистителя 16 по впускному каналу 9 поступает во всасывающую полость 12, что обеспечивает продолжение в ней такта «впуск» рабочего цикла компрессора. Коромыслом ДЕ и шатуном ДК сжимают газ в нагнетательной полости 13 и через открытый выпускной клапан 19 вытесняют по выпускному каналу 10 в нагнетательный ресивер 20, что обеспечивает протекание в ней такта «сжатие» рабочего цикла компрессора.
К концу первой четверти оборота вала коленчатого радиальное уплотнение 18 кривошипной головки шатуна БК продолжает изолировать нагнетательную полость 13 компрессора от всасывающей полости 12 (фиг.2). Поворот коромысла ДЕ относительно шарнира Е по часовой стрелке обеспечивает касание уплотнением 18 шатунной головки коромысла ДЕ левого края пластины 11 и дополнительную изоляцию нагнетательной полости 13 компрессора от всасывающей полости 12 на следующую четверть оборота вала коленчатого. Газ, сжатый в нагнетательной полости 13 компрессора, вытеснен через открытый выпускной клапан 19 и выпускной канал 10 в нагнетательный ресивер 20. Выпускной клапан 19 закрывают и завершают так «сжатие» данного рабочего цикла компрессора. Объем полости 8 максимален, заполнен горючей смесью (воздушным зарядом у дизеля), впускной клапан 5 закрывают и завершают такт «впуск» рабочего цикла двигателя.
При повороте вала коленчатого на вторую четверть оборота коромысло ДЕ с радиальным уплотнением 18 относительно шарнира Е неподвижно и изолирует нагнетательную полость 13 компрессора от его всасывающей полости 12 на следующую четверть оборота. Коромысло АБ относительно шарнира А, а шатун ДК относительно шарнира Д поворачиваются против часовой стрелки, уменьшают объем полости 8, обеспечивают протекание в ней такта «сжатие» рабочего цикла двигателя и одновременно увеличивают объем всасывающей полости 12 компрессора для протекания в ней такта «впуск» рабочего цикла компрессора. Радиальное уплотнение 18 кривошипной головки шатуна БК отделяется от центрального участка пластины 11.
При некотором угле до завершения второй четверти оборота вала коленчатого свеча 6 зажигания бензинового двигателя воспламеняет горючую смесь в полости 8 (форсунка дизеля впрыскивает в ее объем заданную порцию топлива).
В конце второй четверти оборота вала коленчатого поворот коромысла АБ относительно шарнира А против часовой стрелки увеличивает объем всасывающей полости 12 до максимального значения, что обеспечивает завершение в ней такта «впуск» рабочего цикла компрессора. Дальнейший поворот коромысла АБ относительно шарнира А против часовой стрелки обеспечивает касание радиальным уплотнением 18 его шатунной головки правого края пластины 11 и образование новой всасывающей полости 12 минимального объема и центральной полости 17, заключенной между шатунами БК, ДК, пластиной 11 и двумя щеками 3 вала коленчатого (фиг.3). Выпускной клапан 19 закрыт, выпускной канал 10 и нагнетательный ресивер 20 изолированы от нагнетательной полости 13.
Сгорание топлива увеличивает давление газов в полости 8, равнодействующая сила от которого через шатуны БК, ДК и шарнир К передается на кривошип С вала коленчатого, которая относительно оси О его вращения имеет плечо, что вызывает появление на нем вращающего момента силы, поворачивающей его на третью четверть оборота.
При повороте вала коленчатого на третью четверть оборота коромысло АБ относительно шарнира А неподвижно в течение следующей четверти оборота (фиг.4). Всасывающая полость 12 компрессора изолирована от его нагнетательной полости 13 и ее объем в течение третьей четверти оборота остается минимальным. Коромысло ДЕ относительно шарнира Е, а шатун БК относительно шарнира Б поворачиваются против часовой стрелки, что увеличивает объем полости 8 и обеспечивает протекание в ней такта «расширение» четырехтактного рабочего цикла двигателя. Радиальное уплотнение 18 шатунной головки коромысла ДЕ отделяется от левого края пластины 11. Нагнетательная полость 13 компрессора объединяется с центральной полостью 17, заполненной перекачиваемым газом, и за счет этого увеличивает свой объем до максимума. Перед завершением третьей четверти оборота вала коленчатого в полости 8 завершают такт «расширение», открывают выпускной клапан 7 и обеспечивают начало такта «выпуск» рабочего цикла двигателя.
При повороте вала коленчатого вблизи завершения третьей четверти оборота радиальное уплотнение 18 кривошипной головки шатуна ДК касается центрального участка пластины Ни дополнительно изолирует нагнетательную полость 13 компрессора от его всасывающей полости 12 на следующую четверть оборота. Увеличение объема полости 8 двигателя до максимального значения одновременно обеспечивает сжатие газа в нагнетательной полости 13 и начало такта «сжатие» нового рабочего цикла компрессора.
При повороте вала коленчатого от три четверти оборота до завершения полного оборота коромысло ДЕ относительно шарнира Е неподвижно в течение следующей четверти оборота (фиг.1). Коромысло АБ относительно шарнира А, а шатун ДК относительно шарнира Д поворачиваются по часовой стрелке, что уменьшает объем полости 8 двигателя и нагнетательной полости 13 компрессора, но одновременно увеличивает объем его всасывающей полости 12. Продукты сгорания из полости 8 принудительно выталкиваются в атмосферу через открытый выпускной клапан 7, что обеспечивает продолжение в ней такта «выпуск» рабочего цикла двигателя. Радиальное уплотнение 18 шатунной головки коромысла АБ отделяется от правого края пластины 11, а радиальное уплотнение 18 кривошипной головки шатуна ДК скользит по центральному участку пластины 11 и изолирует нагнетательную полость 13 компрессора от его всасывающей полости 12. Объем всасывающей полости 12 увеличивается, из газоочистителя 16 через впускной канал 9 в нее поступает газ, что обеспечивает начало протекания в ней такта «впуск» нового рабочего цикла компрессора. Одновременно с этим шатун ДК поворачивается относительно шарнира Д по часовой стрелке и своей наружной стороной сжимает газ в нагнетательной полости 13, обеспечивая продолжение в ней такта «сжатие» нового рабочего цикла компрессора. Поворотом шатуна ДК относительно шарнира Д вытесняют сжатый газ из нагнетательной полости 13 компрессора через открытый выпускной клапан 19 и выпускной канал 10 в нагнетательный ресивер 20. За некоторый угол до завершения полного оборота вала коленчатого открывают впускной клапан 5 головки 2, обеспечивают продувку полости 8 и начало протекания такта «впуск» следующего рабочего цикла двигателя.
При повороте вала коленчатого на второй оборот закрывают выпускной клапан 7 головки 2, завершают такта «выпуск» данного рабочего цикла и обеспечивают протекание такт «впуск» следующего рабочего цикла двигателя. Одновременно с этим газ из газоочистителя 16 поступает во всасывающую полость 12, что обеспечивает продолжение такта «впуск» нового двухтактного рабочего цикла компрессора. Сжатие газа в нагнетательной полости 13 и его вытеснение в нагнетательный ресивер 20 обеспечивает протекание в ней такта «сжатие» нового двухтактного рабочего цикла компрессора.
Перепускной клапан 14 и обводной канал 15 используют для облегчения пуска мотокомпрессора и уменьшения времени его прогрева, а атмосферный клапан 21 при работе компрессора в режиме вентилятора воздушной системы охлаждения двигателя.
Преимущества предлагаемого мотокомпрессора:
- преобразование двигателя в мотокомпрессор достигнуто установкой U-образной пластины, без увеличения габаритов и без уменьшения мощности двигателя, при незначительном увеличении массы и затрат на изготовление;
- компрессор может работать в режиме вентилятора воздушной системы охлаждения двигателя мотокомпрессора;
- нет впускного клапана всасывающей полости компрессора, что снизило сопротивление при впуске в нее перекачиваемого газа и упростило привод его клапанов;
- перекачиваемый газ используют для охлаждения двигателя мотокомпрессора;
- мотокомпрессор может служить силовой установкой строительной, автомобильной, железнодорожной, водной и другой техники, имеющей рабочее и вспомогательное оборудование с пневматическим приводом (тормоза, пневмоинструмент, пеногенератор пожарной техники, пневмоцилиндры подъемников, разгрузочных устройств и т.д.).