Объемная поршневая машина

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть применена в двигателях внутреннего и внешнего сгорания, компрессорах, расширительных машинах, в малонагруженных двигателях специальных схем для особых целей.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности является объемная поршневая машина [Авторское свидетельство 323562, заявлено 02.1.1968 (№ 1207314/24-6, опубликовано 10.XII.1971, УДК 621.431.7(088.8)], включающая неподвижный цилиндр, в котором установлены два поршня, жестко соединенные между собой штоком. Для сочленения штока с коленчатым валом применен механизм Чебышева, образованный коленом вала, качающимся коромыслом и шатуном, представляющим собой равнобедренный треугольник, в вершинах которого закреплены шарниры. К одному из шарниров присоединен шток, ко второму - коромысло, к третьему - колено вала.
Существенными недостатками прототипа являются:
а) Жесткое сочленение штока с поршнями, что при наличии приближенно-прямолинейного движения штока и неизбежного наличия при этом воздействия боковых усилий на поршень со стороны шатуна, а также в совокупном влиянии всех сил, действующих в механизме, приведет к заклиниванию механизма;
б) Не определены конкретные геометрические соотношения механизма (такие как: координаты горизонтальной оси качания коромысла относительно горизонтальной оси коленчатого вала, расстояние между горизонтальной осью коленчатого вала и осью цилиндра, расстояние между центрами шарниров шатуна и величины углов между отрезками, связывающими центры шарниров шатуна, длина коромысла), обеспечивающие минимально - возможное отклонение траектории движения штока, сочлененного с поршнями, от прямой линии, а также его минимальное угловое отклонение относительно оси цилиндра (фиг. 1);
в) Отсутствует свойство механизма изменять ход поршней, что отрицательным образом сказывается на улучшении технико-экономической эффективности объемных поршневых машин.
Задачей полезной модели является повышение технико-экономической эффективности объемных поршневых машин. Использование предлагаемой полезной модели позволяет получить ряд положительных технических результатов, а именно:
- увеличение сроков до капитального ремонта, надежности и долговечности объемных поршневых машин;
- снижение расходов на эксплуатацию;
- возможность изменять в требуемом диапазоне частоты вращения коленчатого вала ход поршней, что, в свою очередь, позволит изменять степень сжатия и расширения;
- увеличение коэффициента полезного действия объемных поршневых машин в сравнении с машинами, в которых применяется механизм- прототип;
Указанные технические результаты достигаются за счет того, что приближенно-прямолинейное движение двух отдельных штоков, каждый из которых шарнирно сочленен с соответствующим поршнем, и их минимальное угловое отклонение от оси цилиндра обеспечиваются механизмом со строго-определенными геометрическими соотношениями, такими как: координаты горизонтальной оси качания коромысла относительно горизонтальной оси коленчатого вала, расстояние между горизонтальной осью коленчатого вала и осью цилиндра, геометрическими соотношениями равнобедренного треугольника, образующего шатун (расстояние между центрами шарниров шатуна и величины углов между отрезками, связывающими центры шарниров шатуна), длина коромысла.
Изменение хода поршней, а, следовательно, степени сжатия и расширения, обеспечивается эксцентриковым валом, соединенным с коромыслом. Изменение углового положения эксцентрикового вала производится специальным механизмом.
Увеличение коэффициента полезного действия объемных поршневых машин достигается за счет того, что преобразование внутренней энергии рабочего тела в механическую энергию (рабочий ход), будет осуществляться в течение 240° угла поворота коленчатого вала, т.е. будет осуществляться рабочий цикл с продолженным расширением рабочего тела. Этому способствует качество механизма Чебышева, а также представленные строго определенные геометрические соотношения, которым механизм должен соответствовать.
Полезная модель поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми схемами, где на фиг. 1 - структурная схема механизма, на фиг. 2 - схема работы механизма при изменении хода поршней, фиг. 3 - чередование тактов в зависимости от угла поворота коленчатого вала, применительно к двигателю внутреннего сгорания.
В структурной схеме (см. фиг. 1) приняты следующие обозначения:
r - радиус кривошипа коленчатого вала 5;
S - ход поршня;
L - длина коромысла;
D - расстояние от горизонтальной оси коленчатого вала 8 до горизонтальной оси качания коромысла 9 в горизонтальной плоскости;
Е - расстояние от горизонтальной оси коленчатого вала 8 до горизонтальной оси качания коромысла 9 в вертикальной плоскости;
e - эксцентриситет (расстояние от горизонтальной оси качания коромысла 9 до горизонтальной оси эксцентрикового вала 10);
А, В, С - обозначение сторон равнобедренного треугольника, образующего шатун 4 (где В=С);
M - расстояние между горизонтальной осью коленчатого вала 8 и осью цилиндра 11 (дезаксаж).
Для обеспечения приближенно-прямолинейного возвратно-поступательного движения штоков и их минимального углового отклонения от оси цилиндра механизм должен иметь следующие геометрические соотношения:
S=3,5 r;
A=3,5 r;
B=C=2 r;
R=L=2 r;
D= r;
E=2 r
С целью изменения хода поршней механизм содержит эксцентриковый вал 7 соединенный шарнирно с коромыслом 6.
Работа предложенной в полезной модели объемной поршневой машины, применительно к двигателю внутреннего сгорания, происходит следующим образом. На тактах впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска при движении поршней 2, каждый из которых шарнирно сочленен со штоками 3, в цилиндре 1 кинематика механизма изменяется таким образом, что коромысло 6 обеспечивает удержание шарнирного сочленения шатуна 4 со штоками 3 на приближенно-прямолинейной траектории, концентричной оси цилиндра 11, т.е. обеспечивается минимальное отклонение траектории шарнирного сочленения шатуна 4 со штоками 3 от прямой линии. Также обеспечивается минимальное угловое отклонение осей штоков 3 от оси цилиндра 11. За счет того, что штоки 3 сочленяется с поршнями 2 и шатуном 4 шарнирно, исключается возможность заклинивания механизма. При этом полный ход поршней 2 (от крайнего верхнего до крайнего нижнего положения) обеспечивается за угол поворота коленчатого вала равный 240°, что позволяет осуществлять продолженное расширение рабочего тела и значительно более эффективный такт рабочего хода.
На фиг. 3 представлена продолжительность рабочего хода, применительно к двигателю внутреннего сгорания, выраженная в углах поворота коленчатого вала.
Изменение хода поршней происходит следующим образом. При повороте эксцентрикового вала 7 (см. фиг. 1) с эксцентриситетом е на определенный угол изменяется положение оси качания коромысла 9, что, в свою очередь, приводит к изменению кинематики шатуна 4, штоков 3 и поршней 2 (см. фиг. 2). При этом изменяется ход ΔS поршней 2 (в сравнении с начальным положением). На фиг. 2 показаны положения звеньев механизма в начальном положении и в положении при изменении хода поршней. При этом изменение хода поршней позволяет изменять степень сжатия и расширения и осуществлять более эффективный термодинамический цикл с продолженным расширением рабочего тела.
Предложенная в полезной модели объемная поршневая машина с конструкцией механизма для преобразования возвратно - поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала с возможностью изменения хода поршней позволяет повысить технико-экономическую эффективность объемных поршневых машин.