АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВОЙ ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С УПРАВЛЯЮЩИМ НАКЛОННЫМ ДИСКОМ
AXIAL-PISTON STEAM ENGINE WITH CONTROLLED INCLINED DISC

Настоящее изобретение относится к двигателестроению, а именно к аксиально-поршневому паровому двигателю с односторонним действием поршней в цилиндрах, шарнирно закрепленных на наклонном диске, который приводит в действие клапаны впуска и отвода рабочей смеси.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий корпус, закрепленный на нем рабочий цилиндр с втулкой и головкой, поршень, размещенный во втулке цилиндра с образованием камеры переменного объема, аксиальный коленчатый вал с расположенной на его оси шатунной шейкой, на которой установлен шатун. Механизм преобразования выполнен в виде двуплечего треугольного рычага, размещенного в плоскости цилиндра и вала, причем одна из вершин рычага свободно установлена на оси в корпусе, первое его плечо связано при помощи шатунной тяги с поршнем, а второе его плечо - с шатуном. В корпусе установлен также синхронизирующий рычаг, плечи которого расположены в параллельных плоскостях качания, перпендикулярных плоскости качания треугольного рычага (RU 2067675 C1, 10.10.1996).
Недостатком такого устройства является наличие множества точно обработанных деталей. На поршни действуют дополнительные боковые силы, которые увеличивают трение между стенками цилиндра и поршнем, что требует дополнительной смазки и уплотнения в труднодоступных местах.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий корпус с неподвижным блоком цилиндров, поршнями и шатунами, качающуюся шайбу, шарнирно связанную с шатунами, имеющую на своей оси два шипа, которые посредством шаровых опор и сферических подшипников шарнирно связаны с соответствующими щеками и имеют возможность продольного перемещения по оси двигателя в щеках, при этом качающаяся шайба посредством карданного подвеса, состоящего из крестовины и подшипников, крепится на подвижных штоках, связанных с поршнем кольцевого цилиндра, установленного в картере, что составляет сервопривод перемещения качающейся шайбы по оси двигателя. При перемещении качающейся шайбы в сторону блока цилиндров степень сжатия увеличивается, а при перемещении ее в противоположную сторону степень сжатия уменьшается (RU 92012665 А, 20.03.1995).
Недостатком данного устройства является наличие множества точно обработанных деталей, а также цельный блок цилиндров двигателя, что способствует увеличению общей массы двигателя и накладывает ограничения на расположение дополнительных цилиндров. На поршни действуют дополнительные боковые силы, которые увеличивают трение между стенками цилиндра и поршнем, что требует дополнительной смазки и уплотнения в труднодоступных местах.
Известен аксиально-поршневой двигатель, содержащий корпус, размещенный в нем вал с косым кривошипом и надетой на него втулкой. Поршень соединен со штоком при помощи поршневых пальцев. Шайбы закреплены в поршне в качестве направляющих. Один из штоков соединен со втулкой неподвижно, остальные - шарнирно, например, осью (RU 51110 U1, 27.01.2006). Данный аналог принят за ближайший.
Недостатком данного устройства является наличие множества точно обработанных деталей, а также цельный блок цилиндров двигателя, что способствует увеличению общей массы двигателя и накладывает ограничения на расположение дополнительных цилиндров. На поршни действуют дополнительные боковые силы, которые увеличивают трение между стенками цилиндра и поршнем, что требует дополнительной смазки и уплотнения в труднодоступных местах. Двигатель относительно тяжелый для мощности, которую он может производить.
Ни один из таких двигателей не имел масштабного использования. Отсутствие коммерческой выгоды обусловлено относительно высокой стоимостью производства, а также нерешенными вопросами обслуживания и смазки рабочих деталей. Масштабирование деталей для двигателей больших и малых размеров также проблематично из-за ограниченного пространства для расположения арматуры подведения рабочей смеси. Ограниченное пространство между цилиндрами подразумевает использование небольших отверстий для подведения рабочей смеси.
В соответствии с настоящим изобретением, в корпусе двигателя размещаются от одного до восьми аксиально-поршневых цилиндров, зафиксированных шарнирным соединением в основании каждого цилиндра для регулирования угла наклона цилиндра во время совершения возвратно-поступательных движений поршней с закрепленными на них поршневыми штоками. Поршневые штоки шарнирно закреплены на поршневых рычагах наклонного диска, совершающего качающееся движение. Чтобы обеспечить выравнивание поршневых дисков внутри цилиндров, поршневой шток помещен в направляющую, зафиксированную в верхней части цилиндра. Возвратно-поступательное движение поршней передается наклонному диску. Наклонный диск имеет центральную точку качания, установленную на гибком или Z-образном коленчатом валу. Клапанные шатуны посредством кривошипа соединены с клапанами распределения рабочей смеси, располагающимися в основании цилиндра. Такое расположение клапанов обеспечивает достаточно места для создания больших проточных отверстий для облегчения поступления рабочей смеси. Работой клапанов управляют рычаги, соединенные при помощи шатунов. Точка крепления шатуна на наклонном диске смещена на 90 градусов относительно точки крепления приводного штока поршня, связанного с ним цилиндра. Такое расположение клапанного и поршневого рычагов на наклонным диске обеспечивает точную синхронизацию фаз впуска и выпуска рабочей смеси клапанами для любого хода поршня.
Прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня преобразуется в равномерное вращение главного вала с большей экономией энергии. Вышеупомянутая конструкция позволяет преобразовать дугообразное перемещение точки крепления наклонного диска со штоком поршня в прямолинейное движение поршня в цилиндре. «О»-образное кольцевое уплотнение служит для герметизации поршня внутри цилиндра. Снижение контакта между поршнем и стенками цилиндра приводит к уменьшению трения и меньшим требованиям к смазке. Использование насыщенного пара может обеспечить необходимую смазку при нормальных условиях эксплуатации.
Краткое изложение сущности изобретения
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен один из вариантов исполнения аксиально-поршневого двигателя с четырьмя цилиндрами.
На фиг. 2 представлен один из вариантов исполнения модуля аксиально-поршневого двигателя в частично разобранном виде.
На фиг. 3 изображен главный вид одного из вариантов исполнения поворотного клапана с тремя положениями и крепежного шарнира цилиндра двигателя в разрезе с линией разреза 3-3.
На фиг. 4 изображен вид сбоку одного из вариантов исполнения втулки клапана в частичном разрезе с линией разреза 4-4.
На фиг. 5 изображен один из вариантов исполнения клапанного устройства из четырех цилиндров двигателя.
На фиг. 6 изображен частичный вид шестицилиндрового двигателя по настоящему изобретению, показывающий относительное положение наклонного диска привода с точкой крепления шатуна.
Подробное описание чертежей
На фиг. 1 изображен предпочтительный вариант исполнения аксиально-поршневого двигателя, имеющего в своем составе: раму, состоящую из четырех ножек 10а, соединяющую две торцевые стенки 10; стенки удерживают на себе четыре цилиндра в сборе 11, шарнирно закрепленных на фиксированных сборках входных клапанов 12; выходной коленчатый вал 13; наклонный диск 14, соединяющий сборку цилиндров с коленчатым валом.
Как показано на фиг. 1, 2, цилиндр в сборе 11 состоит из цилиндра, соединенного с клапанным узлом 12, при помощи шарнира 28. Труба 20 прикреплена к нижней части цилиндра, изготовлена из прочного материала (металла или керамики), имеет полую структуру и соединена со столь же прочным поворотным шарниром 28, имеющим возможность замены. Внутри цилиндра поршень 15 соединен с подвижным стержнем 16 и выровнен относительно стенок цилиндра при помощи направляющего узла 18, состоящего из направляющей трубки 18а, кронштейна 186, имеющего квадратные стороны в качестве вентиляции 18в. Поршень 15 имеет «О»-образное уплотнительное кольцо 19. Противоположный конец шатуна поршня подвижно закреплен резьбовым соединением со штоком 16а.
На фиг. 2 представлен один из вариантов исполнения модуля аксиально-поршневого двигателя в частично разобранном виде. Цилиндр в сборе 11 поршневым штоком соединен с наклонным диском 14, вращающим палец кривошипа 34, зафиксированного при помощи одиночных подшипников 34b и расположенного аксиально ходу кривошипа 35. Подшипники 34b расположены друг от друга на расстоянии, чтобы обеспечить устойчивую опору пальца кривошипа. Наклонный диск 14 располагается в центре конструкции и шарнирно закреплен на гибком валу 36, который, в свою очередь, крепится к раме при помощи анкера 37. Другой вариант конструкции поворотного устройства представлен на фиг.1, на которой гибкий вал 36 заменен на Z-образный коленчатый вал, крепящийся к торцевой стенке 10 при помощи опорной стойки 36б и раскачивающий наклонный диск 14. Наклонный диск 14 посредством рычагов передает колебательное воздействие на шатуны, управляющие работой клапанов. Расположение точки крепления шатунов смещено на угол 90 градусов относительно точки крепления штока поршня. Подобное расположение точки крепления шатуна позволяет установить фазы газораспределения, в которых за такт поршня пароводяная смесь накапливается и покидает цилиндр. Тяга 42 на шарнире передает вращение на кривошип вала клапана 32. Вал клапана 32 передает вращение шатуна 41 на шток клапана 26.
Один из возможных вариантов исполнения клапанного узла впуска пароводяной смеси представлен на фиг. 3. Он состоит из корпуса клапана 12, обеспечивающего подачу пароводяной смеси в цилиндр 11. Ход смеси из впускного отверстия 22 в цилиндр и из цилиндра в выпускное отверстие 23 осуществляется через отверстие 24 и поворотную трубку 20. Направление движения смеси изменяется при помощи вращения поворотного штока клапана 26, имеющего отверстие 25. Направление вращения двигателя изменяется путем смены впускных и выпускных отверстий. Как показано на фиг. 3, поворотный шток 26 имеет три рабочих состояния: А - впуск смеси в цилиндр, В - выход смеси из цилиндра, С - закрытое состояние. Регулировочная резьба шарнира 28 в корпусе клапана 12 обеспечивает возможность замены поворотной трубки 20. Гайка 29 служит фиксатором поворотной трубки 20. «О»-образное кольцо 30 служит уплотнителем против утечек рабочей смеси. Шайба 31 служит подкладкой для регулировки степени сжатия уплотнительного кольца 30. Вал клапана 32 вращает шток клапана во время работы двигателя.
На фиг. 4 изображен корпус клапана 12, вид сбоку. Положение клапана 26, как и на фиг. 3, задает направление движения пароводяной смеси. Вал клапана 32 вращает шток клапана. Стопорные канавки 26б предусмотрены для фиксирующих колец (не изображены на чертеже).
На фиг. 5 изображен один из вариантов исполнения клапанного модуля для аксиально-поршневого двигателя с четырьмя цилиндрами. Количество цилиндров может изменяться. Размеры клапанного устройство могут быть изменены для приспособления к более широкому типу цилиндров и настройки под определенные пределы хода поршня. Кривошипный вал расположен радиально шатуну 40, обеспечивающему связь с наклонным диском. Клапанные валы 32 прикреплены к кривошипным валам, передавая частичное вращение штоку 26 клапана. Втулка 27 служит в качестве фиксаторов опорных подшипников 21 для вала 32.
На фиг. 6 изображен частичный вид аксиально-поршневого двигателя с шестью цилиндрами вид снизу. На чертеже показано относительное расположение шести поршневых рычагов 17 к шести рычагам клапанного узла 39. Два блока цилиндров 11 с их соответствующими клапанными узлами 12 описывают их эксплуатационное расположение, обеспечивающее синхронизацию клапанов и поршней в рабочих фазах. Каждый рычаг клапанного узла 39 закреплен под прямым углом к поршневому рычагу, вдоль линии D. Впускное отверстие цилиндра расположено по линии Е. Положение входного отверстия цилиндра 24 и поршневого рычага 17 относительно линии Ε определяет длину хода поршня. Изменение длины хода поршня не оказывает влияния на работу клапана. Перпендикулярное расположение поршневых рычагов относительно рычагов клапанного узла на наклонном диске используется при любом исполнении двигателя с любым числом цилиндров. Использование электронных клапанов-переключателей также является одним из примеров реализации устройства.
Настоящее изобретение может включать в себя от одного до восьми цилиндров. Варианты с одним, четырьмя и шестью цилиндрами были рассмотрены в ходе описания устройства. Приведенное выше описание содержит много особенностей и его не следует понимать как единственно верное, а скорее, как пример для конкретного экземпляра. Возможны различные варианты исполнения устройства. Например, цилиндры могут быть изготовлены из стекла, нержавеющей стали, меди, керамики, углеродного волокна, алюминия или любых других материалов, устойчивых к давлению, температуре, коррозии, необходимых под конкретный вид эксплуатации устройства. Также цилиндры могут быть выполнены с нанесением изоморфного алмазоподобного трибологического покрытия до 3 мкм, способствующего увеличению износостойкости с эффектом сухой смазки, что позволяет использовать в качестве рабочей смеси не только пар, но и другие газы, не обеспечивающие смазку поршней. Размеры цилиндров могут масштабироваться для выполнения различных задач. Также может быть использовано зеркальное расположение цилиндров, например, в двигателе с восемью цилиндрами, что способствует увеличению эффективности работы двигателя и уменьшению вибраций. Все или несколько цилиндров могут быть использованы в качестве насоса, сочетая в себе как двигатель, так и насос. Сжатый воздух, хладагент и иные состояния жидкости могут быть использованы для работы устройства. Уплотнительные кольца поршней могут быть выполнены из различных материалов, таких как каучук, углеродное волокно, PTFE или металл, в зависимости от используемой рабочей смеси и температуры эксплуатации. Коленчатый вал 13 может быть частью двигателя или частью отдельного устройства, такого как, например, генератор, насос хладагента или водяной насос. Наклонный диск может включать различные поворотные устройства, такие как гибкий вал или Z-образный коленчатый вал.
Внедрение данного устройства обеспечивает улучшение аксиально-поршневых двигателей, создавая двигатель с переменным числом цилиндров, которые легко масштабируются для больших и малых устройств; достигнутым результатом также является уменьшение трения путем устранения боковых сил, действующих на поршень, за счет аксиального движения с меньшим количеством деталей; уменьшается масса возвратно-поступательно механизма и минимизируются требования к смазочным материалам; расположение клапанов обеспечивает возможность создания более широких отверстий для свободного потока рабочей смеси в цилиндры; уменьшается сложность конструкции и, как следствие, сокращаются экономические расходы на производство.