ОППОЗИТНАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА
OPPOSITE PISTON MACHINE

Предлагаемое устройство относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, производству компрессоров, насосов.
Поршневые машины применяются в качестве двигателей внутреннего сгорания, компрессоров или насосов.
Известно устройство - ДВС (двигатель внутреннего сгорания), основа которого представляет собой КШМ (кривошипно-шатунный механизм), преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. (1. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / В.П. Алексеев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.).
Однако КШМ имеет существенные недостатки: сила от давления газов на поршень не в полной мере используется для вращения коленчатого вала, снижая КПД механизма и двигателя, в мертвых точках возникает «перекладка» поршня - изменение направления действия боковой силы, создающая динамические нагрузки. КШМ конструктивно сложен - имеет несколько нагруженных шарнирных соединений: коренные и шатунные шейки, опоры поршневого пальца, требующие совершенной системы смазки с подачей моторного масла под давлением. Для уравновешивания массы кривошипов необходимо устанавливать противовесы, нужен маховик, накапливающий энергию рабочего хода, обеспечивающий другие такты двигателя, а также прохождение поршня через мертвые точки.
Сила от давления газов на поршень раскладывается на две составляющие: одна по оси шатуна, другая создает боковую нагрузку на поршень, вызывающую потери энергии на трение и износ. Сила, действующая по оси шатуна на шатунную шейку, также раскладывается на две составляющие: одна нагружает коренные шейки, полезную нагрузку - крутящий момент на коленчатом валу, создает только вторая составляющая силы, перпендикулярная кривошипу.
Известны бесшатунные двигатели внутреннего сгорания без КШМ на основе авторского свидетельства №118471 (2. Баландин С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972. - 176 с.). Бесшатунный механизм позволяет конструктивно просто осуществлять при малых габаритах и высокой быстроходности двигателей двусторонний рабочий процесс в цилиндрах и получать вследствие этого почти удвоенную литровую и габаритную мощность.
Однако бесшатунный механизм имеет сложную кинематику (2. рис.3-10 и др.). В ряде конструкций функции шатунов выполняют ползуны, но в любом случае остается коленчатый вал, который сложно изготовить, его коренные шейки нуждаются в смазке под давлением, между коленчатым и ведущим валами надо устанавливать зубчатые передачи (2 рис.12), усложняющие конструкцию двигателя.
Известны реечные зубчатые механизмы, взаимосвязанные с поршнями. Первая в мире паровая трехколесная повозка Кюньо имела привод на переднее колесо от двух поршней паровых машин рейками, работающими поочередно. Один из первых двигателей Н. Отто имел вертикальный цилиндр, поршень которого рейкой взаимодействовал с зубчатым венцом вала отбора мощности через обгонную муфту.
Однако эти машины и механизмы были несовершенны, имели невысокий КПД, низкую частоту вращения, а значит и невысокую мощность. Муфты свободного хода недолговечны, они не обеспечивают четкое срабатывание при высокой частоте вращения.
Известен трехзвенный зубчатый механизм с двусторонней рейкой (З. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. т.3. - М.: Наука, 1973. с.45, фиг.33). Отмечено, что в крайних положениях звено с рейками имеет остановки. Приведенная схема неработоспособна, так как крайние зубья находятся в зацеплении: нижний зуб должен перемещать звено с рейками налево, а верхний зуб еще не вышел из зацепления и толкает звено направо.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является оппозитная поршневая машина с реечно-шестеренным механизмом (1. с.262, рис.182, б).
Известно, что такая оппозитная поршневая машина состоит из цилиндров, расположенных в них противоположно развернутых поршней с шарнирно установленной на каждом поршне зубчатой рейкой, зацепленной с шестерней, закрепленной на валу.
Однако поршневая машина с таким механизмом имеет ограниченные возможности, и реечно-шестеренный механизм применяют только как синхронизирующий на быстроходных генераторах газа.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в расширении возможностей оппозитной поршневой машины с реечно-шестеренным механизмом.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что оппозитная поршневая машина содержит цилиндры, поршни с противоположно расположенными зубчатыми рейками, вал с шестерней, зацепленной с этими рейками, при этом, в отличие от прототипа, у шестерни зубья нарезаны на дуге длиной не более половины длины окружности, эти зубья поочередно зацеплены с зубчатыми рейками, которые коромыслами соединяют оба поршня с расположенными в них фиксаторами мертвых точек.
Предлагаемое техническое решение существенно расширяет возможности поршневой машины, она обратима - позволяет использовать ее как быстроходный высокоэкономичный ДВС, а также как компрессор или насос, в том числе многоцилиндровый.
На фиг.1 показана упрощенная схема оппозитной поршневой машины в состоянии, когда поршни находятся в крайнем левом положении: левый поршень в ВМТ (верхней мертвой точке), правый поршень в НМТ (нижней мертвой точке). На схеме не показаны газораспределительный механизм, системы охлаждения, смазки и др.
На фиг.2 оппозитная поршневая машина показана в состоянии, когда поршни находятся в крайнем правом положении: правый поршень в ВМТ, левый поршень в НМТ.
В цилиндре 1 установлены поршни 2 с компрессионными 3 и маслосъемным 4 поршневыми кольцами, а также фиксаторами мертвых точек 5. Зубчатые рейки 6 шарнирно соединены с коромыслами 7, зафиксированными в средней части поршней 2. Шарнирное соединение не показано - это могут быть хомуты между рейками 6 и коромыслами 7, пазы в наконечниках реек 6 со штифтами, соединяющими их с поршнями 2. Наиболее простое соединение можно обеспечить пазами в наконечниках реек 6, в которые вставляют концы коромысел 7. Зубчатые рейки 6 могут быть поочередно зацеплены с шестерней 8, у которой зубья нарезаны на дуге длиной не более половины длины окружности. Шестерня 8 закреплена на валу 9. На шестерне 8, со стороны, свободной от зубьев, установлен ограничитель 10 хода поршня в НМТ (нижней мертвой точке). Цилиндр 1 может состоять из двух частей, соединенных общим картером. Зубчатые зацепления шестерни 8 и реек 6 могут иметь различный шаг и модуль (условное передаточное число), допустима коррекция зубьев, в том числе фланкирование.
Предлагаемая оппозитная поршневая машина работает следующим образом.
I. Режим четырехтактного ДВС.
1-е состояние. Слева - такт впуска (всасывания горючей смеси), справа - такт сжатия рабочей смеси. Усилие от вала на верхнюю рейку и правый поршень. На фиг.1 крутящий момент от вала 9, вращающегося по часовой стрелке, шестерней 8 передает усилие на верхнюю зубчатую рейку 6 и толкает ее слева направо. Коромысло 7 вверху прижимается к поршню 2, а нижним концом смещает нижнюю рейку влево, в этот момент нижняя рейка вышла из зацепления с шестерней. Прохождение НМТ обеспечивается пазом между фиксатором 5 мертвой точки и центральным стержнем поршня 2, по которому проходит ограничитель 10. Зубья шестерни 8 верхней рейкой 6 перемещают правый поршень 2 из НМТ в ВМТ, а левый поршень - из ВМТ в НМТ.
2-е состояние. Слева - сжатие рабочей смеси, справа - рабочий ход. Усилие от правого поршня нижней рейкой на вал. Сила от давления газов сгорающей рабочей смеси в правой части цилиндра 1 действует на правый поршень 2, коромысло 7 изменит свое положение и нижним концом будет давить на нижнюю зубчатую рейку 6. Прохождение НМТ левого поршня обеспечивается прохождением ограничителя 10 по пазу между фиксатором 5 и центральным стержнем левого поршня 2. Правый поршень переходит из ВМТ в НМТ, а левый поршень - из НМТ в ВМТ. Зубья нижней рейки 6 взаимодействуют с зубьями шестерни 8, заставляя ее и вал 9 вращаться по часовой стрелке. Зубья верней рейки 6 при этом движении не взаимодействуют с зубьями шестерни 8, обеспечивая свободный ход. Вал 9 передает энергию маховику (на схеме не показан), который обеспечивает привод исполнительных и вспомогательных механизмов, а также накапливает часть энергии для осуществления других тактов двигателя.
3-е состояние. Слева - рабочий ход, справа - выпуск (вытеснение отработавших газов). Усилие от левого поршня верней рейкой на вал. Сила от давления газов сгорающей рабочей смеси в левой части цилиндра 1 действует на левый поршень 2, коромысло 7 изменит свое положение и верхним концом будет давить на верхнюю зубчатую рейку 6. Прохождение НМТ правого поршня обеспечивается прохождением ограничителя 10 по пазу между фиксатором 5 и центральным стержнем правого поршня 2. Левый поршень переходит из ВМТ в НМТ, а правый поршень - из НМТ в ВМТ. Зубья верхней рейки 6 взаимодействуют с зубьями шестерни 8, заставляя ее и вал 9 вращаться по часовой стрелке. Зубья нижней рейки 6 при этом движении не взаимодействуют с зубьями шестерни 8, обеспечивая свободный ход. Вал 9 передает энергию маховику.
4-е состояние. Слева - такт выпуска, справа - такт впуска. Усилие от вала на нижнюю рейку и левый поршень. На фиг.2 крутящий момент от вала 9, вращающегося по часовой стрелке, шестерней 8 передает усилие на нижнюю зубчатую рейку 6 и толкает ее справа налево. Коромысло 7 внизу прижимается к левому поршню 2 и нижним концом смещает левый поршень налево, в этот момент верхняя рейка вышла из зацепления с шестерней. Прохождение НМТ (нижней мертвой точки) обеспечивается пазом между фиксатором 5 мертвой точки и центральным стержнем поршня 2, по которому проходит ограничитель 10. Зубья шестерни 8 нижней рейкой 6 перемещают левый поршень 2 из НМТ в ВМТ, а правый поршень - из ВМТ в НМТ.
II. Режим двухтактного компрессора или насоса.
1-е состояние. Усилие от вала верхней рейкой на правый поршень. Слева - такт заполнения цилиндра газом или жидкостью, справа - такт сжатия и вытеснения сжатого газа или вытеснение жидкости под давлением. На фиг.1 крутящий момент от вала 9, вращающегося по часовой стрелке, шестерней 8 передает усилие на верхнюю зубчатую рейку 6 и толкает ее слева направо. Коромысло 7 вверху прижимается к поршню 2, а нижним концом смещает нижнюю рейку влево, в этот момент нижняя рейка вышла из зацепления с шестерней. Прохождение НМТ (нижней мертвой точки) обеспечивается пазом между фиксатором 5 мертвой точки и центральным стержнем правого поршня 2 по которому проходит ограничитель 10. Зубья шестерни 8 верхней рейкой 6 перемещают правый поршень 2 из НМТ в ВМТ, а левый поршень - из ВМТ в НМТ.
2-е состояние. Слева - такт нагнетания, справа - такт впуска (заполнения цилиндра газом или жидкостью). Усилие от вала на нижнюю рейку и левый поршень. На фиг.2 крутящий момент от вала 9, вращающегося по часовой стрелке, шестерней 8 передает усилие на нижнюю зубчатую рейку 6 и толкает ее справа налево. Коромысло 7 внизу прижимается к левому поршню 2 и нижним концом смещает левый поршень налево, в этот момент верхняя рейка вышла из зацепления с шестерней. Прохождение НМТ обеспечивается пазом между фиксатором 5 мертвой точки и центральным стержнем левого поршня 2, по которому проходит ограничитель 10. Зубья шестерни 8 нижней рейкой 6 перемещают левый поршень 2 из НМТ в ВМТ, а правый поршень - из ВМТ в НМТ.
На одном валу 9 может быть несколько шестерен 8 и взаимосвязанных с ними элементов оппозитной поршневой машины - можно получить многоцилиндровые поршневые машины. Применение многоцилиндровых двигателей позволит получить ДВС большой мощности, при этом произойдет лучшее уравновешивание работы двигателя и потребуется маховик меньшей относительной массы. Многоцилиндровые многоступенчатые компрессоры с последовательным увеличением давления газа можно получить не только за счет количества шестерен и взаимосвязанных с ними зубчатых реек и поршней, но также путем установки ступенчатых поршней.
Обозначения
1 - цилиндр;
2 - поршни;
3 - компрессионные поршневые кольца;
4 - маслосъемное поршневое кольцо;
5 - фиксатор мертвой точки;
6 - зубчатые рейки;
7 - коромысла между зубчатыми рейками 6 и поршнями 2;
8 - шестерня с зубьями на дуге менее половины длины окружности;
9 - вал;
10 - ограничитель хода поршня в НМТ (нижней мертвой точке).