КЛАПАННО-ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР
VALVE-PISTON COMPRESSOR

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции поршневых компрессоров, которые имеют механизм движения поршней и цилиндр с впускными и выпускными окнами.
Для получения сжатого воздуха используется компрессорное оборудование, применяемое в производственных отраслях, гаражах, автомастерских в строительстве и прочих областях.
Широко известный поршневой компрессор имеет достаточно простой принцип работы и состоит из чугунного корпуса цилиндрической формы, нагнетательного и всасывающего клапана и поршня.
Конструкция устройства состоит из таких основных элементов:
рабочего цилиндра;
поршня;
системы клапанов (входной и выходной клапан, которые отвечают за нагнетание рабочей среды).
Нагнетание рабочей среды осуществляется при помощи возвратно-поступательных движений поршня. В движение поршень приводит кривошипно-шатунный механизм и коленчатый вал. Нагнетание рабочей среды начинается с движения поршня, который приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом. Таким образом, рабочая среда подается по магистральной трубе под необходимым давлением. Возвратное и поступательное движение поршня осуществляется за один оборот вала.
Задачей предложенного изобретения является доработка устройства поршневого компрессора для повышения его КПД и скорости нагнетания воздуха, стабилизация работы на высоких оборотах.
Ближайшим аналогом к предложенному изобретению является решение RU 2247250 С2, 27.02.2005, раскрывающее поршневой компрессор с выходным валом, содержащий цилиндр с впускными и выпускными окнами, открытие и закрытие которых осуществляется соответственно самодействующими впускными и выпускными клапанами, которые открываются и закрываются под действием разности давления, которое возникает при работе поршневого компрессора.
Недостатком известного решения является невозможность создавать высокие обороты (свыше 1500 об/мин) в цилиндро-поршневой группе компрессора, а соответственно низкий КПД данного компрессора, плохая синхронизация работы.
Техническим результатом предложенного решения является повышение оборотов в цилиндро-поршневой группе, синхронизация работы выходного вала (коленчатый вал) и распределительного вала компрессора, повышение его КПД, а также стабилизация его работы на высоких оборотах.
Данный результат достигается тем, что клапанно-поршневой компрессор, содержащий, по меньшей мере один поршень, связанный через шатун с коленчатым валом с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в цилиндре, а также впускной и выпускной клапаны, при этом впускной клапан является тарельчатым и выполненным с возможностью его принудительного приведения в движение посредством кулачка распредвала, и закрывания с помощью пружины, а выпускной клапан является лепестковым и выполненным с возможностью его открывания-закрывания под действием разности давления, при этом приводная звездочка распредвала соответствует диаметру приводной звездочки коленчатого вала, которые связаны между собой цепной передачей, дополнительно включает вал привода с приводной звездочкой масляного насоса, приводящегося во вращение посредством указанной цепной передачи.
Лепестковый клапан включает держатель в виде стержня с отверстием, рабочую часть, выполненную в виде полого усеченного конуса с отверстием в боковой части и основание, выполненное в виде пластины с выпускным отверстием, лепесток, ограничитель хода лепестка и входную камеру для приема рабочей среды. Головка поршня, в области взаимодействия с выпускным лепестковым клапаном, имеет плоскую поверхность, а в области взаимодействия с впускным тарельчатым клапаном содержит дефлектор, выполненный в виде площадки с выступающей под углом поверхностью.
Цепная передача содержит успокоитель цепи, для уменьшения ее вибрации.
Далее, предложенное изобретение будет подробно рассмотрено с учетом иллюстраций, где на
фиг. 1 - общий вид компрессора на примере его выполнения из 3-го и 4-го цилиндров, 4-х цилиндрового двигателя с сечениями по впускному и выпускному клапану.
Фиг. 2 - сечение А-А цилиндра и выпускного клапана.
Фиг. 3 - сечение Б-Б цилиндра и впускного клапана.
Фиг. 4 - увеличенное изображение выпускного лепесткового клапана.
Фиг. 5 - вид В выпускного лепесткового клапана.
Фиг. 6 - увеличенное изображение конструкции поршня.
Фиг. 7 - общий вид компрессора с распредвалом и коленчатым валом.
Фиг. 8 - схема обвязки валов и звездочек компрессора цепной передачей.
На фиг. 1 представлен клапанно-поршневой компрессор, показанный на примере блока цилиндров и ГБЦ 4-х цилиндрового двигателя внутреннего сгорания (переделка именно на базе 4-х цилиндрового двигателя не является обязательным процессом, однако возможна).
Клапанно-поршневой компрессор содержит по меньшей мере один поршень 1, связанный через шатун (на чертеже не показан) с коленчатым валом 14 с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в цилиндре. Клапанно-поршневой компрессор также включает впускной 2 и выпускной 3 клапаны. При этом впускной клапан 2 является тарельчатым и выполненным с возможностью его приведения в движение посредством кулачка (на чертеже не показан) распредвала 13 и закрывания с помощью пружины (на чертеже не показана).
Выпускной клапан 3 является лепестковым и выполненным с возможностью его открывания-закрывания под действием разности давления, создаваемого за счет поступления рабочей среды и хода поршня 1.
При этом диаметр приводной звездочки распредвала 13 соответствует диаметру приводной звездочки коленчатого вала 14, которые связаны между собой цепной передачей 15.
Цилиндро-поршневая группа компрессора взаимодействует по следующей схеме.
Распределительный вал 13 приводится во вращение от коленчатого вала 14 посредством цепной передачи 15. Так, при ходе поршня 1 вверх, выпускной лепестковый клапан 3 открывается, выпуская рабочую среду из цилиндра, например, в выпускной коллектор и далее в заданную область нагнетания давления. Схема выхода рабочей среды может быть и иной. При ходе поршня 1 вниз, выпускной лепестковый клапан 3 закрывается, при этом одновременно с этим открывается впускной клапан 2 посредством механического воздействия кулачка распредвала 13, открываемого цепной передачей 15, приводимой от звездочки 14 коленчатого вала. Данный вариант обеспечивает моментальное открытие впускного клапана 2, без задержек и пауз и всегда в одно и тоже время такта хода поршня 1, обеспечивая стабилизацию и синхронизацию работы системы. Кроме того, использование впускного клапана 2 данного типа обеспечивает возможность работы поршня 1 на больших оборотах (более 1500 об/мин), а соответственно и повышение КПД системы, поскольку исключается задержки впуска рабочей среды, при этом выпускной клапан 3 необходимо выполнять именно лепестковым, для исключения (лепестковый клапан 3 открывается в любой момент при избытке давления) создания чрезмерно высокого давления в цилиндре, подаваемого из внешнего воздушного рессивера со сжатым воздухом, используемым в качестве рабочей среды. Кроме того, опытным путем было установлено, что при условии, когда диаметр приводной звездочки распредвала 13 соответствует диаметру приводной звездочки 14 коленчатого вала, которые связаны между собой цепной передачей, обеспечивается полная синхронизация в работе клапанно-поршневого компрессора, то есть на один оборот звездочки распредвала 13 приходится также один оборот звездочки коленчатого вала 14, что обеспечивает работу компрессора в двухтактном режиме и также способствует синхронной работе компрессора на высокой скорости. Цепная передача 15 содержит успокоитель цепи 16, для уменьшения ее вибрации и возможности регулировать ее натяжение. Клапанно-поршневой компрессор дополнительно включает вал привода с приводной звездочкой 17 масляного насоса, приводящегося во вращение посредством общей цепной передачи 15.
Лепестковый клапан 3 представляет собой сложное тело, имеющее держатель 4 в виде стержня с отверстием. В отверстии может быть выполнена резьба, для надежной фиксации клапана 3 на соответствующем элементе компрессора. Лепестковый клапан 3 включает рабочую часть 5, выполненную в виде полого усеченного конуса с отверстием в боковой части. Своей вершиной, рабочая часть 5 связана с держателем 4. Лепестковый клапан 3 также включает основание, выполненное в виде пластины 6 с выпускным отверстием, лепестка 7, ограничителя хода 8 лепестка, выполненного в виде пластины, размещенной над лепестком 7 под углом и входной камеры 9. Данная конструкция лепесткового клапана также обеспечивает дополнительно стабилизацию работы устройства, особенно на высоких оборотах цилиндро-поршневой группы, поскольку его конструкция исключает залипание и неправильную работу лепестка 7.
Головка поршня 1 в области взаимодействия с выпускным лепестковым клапаном 3 имеет плоскую поверхность 10, а в области взаимодействия с впускным тарельчатым клапаном 2 содержит дефлектор 11, выполненный в виде площадки 12 с выступающей под углом поверхностью. Данная форма головки поршня 1 обеспечивает уменьшение свободного пространства в камере цилиндра при ходе поршня 1, для получения большего КПД при взаимодействии поршня 1 с рабочей средой.
Последовательность взаимодействия узлов компрессора следующая:
Воздух из атмосферы поступает к впускному клапану 2, который открывается в момент воздействия на него кулачка распредвала, через звездочку 13, приводимого во вращение от звездочки 14 коленчатого вала посредством цепной передачи 15. В это время поршень 1, связанный через шатун с коленчатым валом с возможностью его возвратно-поступательного перемещения в цилиндре, начинает движение вниз. При достижении поршнем 1 нижней мертвой точки впускной клапан 2 закрывается механически (снимается воздействие кулачка распредвала), посредством цепного привода от коленчатого вала, исключая в этот момент подачу рабочей среды. Камера цилиндра наполняется рабочей средой. Далее, поршень 1 начинает движение вверх, давление в цилиндре повышается и лепесток 7 выпускного клапана 3 открывается в стандартном режиме, выпуская рабочую среду через отверстие в пластине 6 в камеру 9. Далее, рабочая среда перемещается в рабочую часть 5, лепесткового клапана 3 и через боковое отверстие в ней передается в нужном направлении. Кроме того, наличие в конструкции компрессора приводной звездочки 13 распредвала равного диаметра с приводной звездочкой 14 коленчатого вала, которые связаны между собой цепной передачей, обеспечивает полную синхронизацию в работе клапанно-поршневого компрессора, то есть работа клапанов и поршней обеспечивается синхронно на высокой скорости.
При наличии двух и более цилиндров/поршней их работа происходит поочередно, то есть пока первый поршень 1 находится наверху, второй - внизу с соответствующей отработкой клапанных механизмов по указанной схеме. Цикл работы повторяется.
Данная конструкция исключает сбой в работе клапанной группы, повышение оборотов в цилиндро-поршневой группе, включая выходной вал (коленчатый вал) и распределительный вал компрессора, повышение его КПД, а также стабилизацию и синхронизацию работы компрессора.