Поршневая машина

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектировании поршневых машин: двигателей внутреннего сгорания, пневмо- и гидродвигателей и насосов. Машина содержит блок цилиндра, в который запрессована гильза с двумя продольными пазами, в которых расположена эксцентриковая шейка коленвала с установленным на подшипниках поршнем. Коренные шейки вала расположены в отверстиях кривошипных опор, установленных на подшипниках в корпусе. Окончания пазов гильзы одновременно являются впускными или выпускными окнами. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проектированиии поршневых машин: двигателей внутреннего сгорания, пневмо- и гидродвигателей и насосов.

Прототипом является поршневая машина по патенту Р.Ф. 2053394, кл. F 02 В 75/32, F 01 B 9/02, содержащая корпус с цилиндром, вращающиеся кривошипные опоры с эксцентричными отверстиями, выемками и хвостовиками, коленчатый вал с коренными и экцентриковой шейками, неподвижные зубчатые колеса внутреннего зацепления, жестко связанные с корпусом, шестерни, установленные на концах коренных шеек и выполненные с возможностью взаимодействия с зубчатыми колесами внутреннего зацепления, поршень с кольцевыми канавками и поршневыми кольцами, размещенный в цилиндре с образованием двух камер переменного объема и установленный на экцентриковой шейке, выходной вал, жестко связанный (или выполненный заодно целое) с хвостовиком одной из кривошипных опор и крышки цилиндров, причем коренные шейки размещены в экцентричных отверстиях кривошипных опор с возможностью вращения.

Однако в этой машине торцевые поверхности дисков и шайб выполнены заподлицо с внутренней поверхностью гильзы, что определяет применение поршня только прямоугольного сечения или в виде фигуры, ограниченной двумя параллельными прямыми, сопряженными двумя дугами окружности, что усложняет конструкцию цилиндропоршневой группы.

Цель изобретения - упрощение конструкции цилиндропоршневой группы.

Указанная цель достигается тем, что поршневая машина, содержащая корпус с цилиндром, вращающиеся кривошипные опоры с эксцентричными отверстиями, выемками и хвостовиками, коленчатый вал с коренными и экцентриковой шейками, неподвижные зубчатые колеса внутреннего зацепления, жестко связанные с корпусом, шестерни, установленные на концах коренных шеек и выполненные с возможностью взаимодействия с зубчатыми колесами внутреннего зацепления, поршень с кольцевыми канавками и поршневыми кольцами, размещенный в цилиндре с образованием двух камер переменного объема и установленный на экцентриковой шейке, выходной вал, жестко связанный (или выполненный заодно целое) с хвостовиком одной из кривошипных опор, и крышки цилиндров, причем коренные шейки размещены в экцентричных отверстиях кривошипных опор с возможностью вращения, отличается тем, что в цилиндре (гильзе) выполнены два продольных аксиально расположенных паза, в которых расположена экцентриковая шейка коленчатого вала, окончания пазов являются или выпускными окнами или впускными окнами или окончания одного паза являются впускными окнами, а окончания другого паза - впускными окнами, причем поршень (цилиндр) выполнен или круглого сечения или прямоугольного сечения или в виде фигуры, ограниченной двумя параллельными прямыми, сопряженными двумя дугами окружности, или эллипсного сечения, или другого фигурного сечения.

Благодаря этому при установке поршня на экцентриковой шейке коленвала он может иметь сечение наиболее простой - круглой формы, что значительно упрощает конструкцию цилиндропоршневой группы, а значит, упрощает и изготовление поршня, гильзы, цилиндра.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 показана поршневая машина в разрезе (сечение А-А на фиг.2); на фиг. 2 - сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.3 - сечение В-В на фиг.1; на фиг.4 показан вариант выполнения цилиндропоршневой группы.

Поршневая машина содержит блок цилиндра 1, в который запресована гильза 2. В гильзе 2 выполнены два продольных паза 3, расположенных с противоположных сторон от центра гильзы. На чертежах показано, что поршень, цилиндр, гильза выполнены круглого сечения, но они могут быть выполнены прямоугольного сечения или другого известного сечения. В пазах гильзы размещена экцентриковая шейка 4 коленвала. Коленвал сборный и он состоит из двух хвостовиков 5 и 6, на конце которых выполнены экцентриковые диски, переходящие в противовесы 7, 8. Причем экцентриковая шейка 4 выполнена заодно целое с диском хвостовика 5 и ее конец впрессован в отверстие, выполненное в диске хвостовика 6. Экцентриситет шейки 4 относительно хвостовиков 5, 6 равен R= S/4, где S - ход поршня. Длина пазов 3 равна S+d+Δ, где d - диаметр (см. фиг. 1) шейки 4, Δ=0,2-0,5 мм - зазор между торцами пазов 3 и шейкой 4. Ширина пазов 3 тоже больше диаметра шейки 4 на ту же величину. Внутри гильзы 2 на шейке 4 на подшипниках 9 установлен поршень 10, выполненный пустотелым и в сечении круглой формы. Поршень 10 с обеих сторон оснащен поршневыми кольцами, которые применяются в настоящее время в двигателестроении. Подшипники 9 изолированы от гильзы уплотнительными элементами 11. Коленвал (поз. 4, 5, 6, 7, 8) своими коренными шейками хвостовиков 5, 6 установлен в подшипниках 12, установленных в экцентричных отверстиях кривошипных опор 13, 14. Со стороны гильзы в этих отверстиях установлены уплотнительные элементы - манжеты 15. Опоры 13, 14 установлены на подшипниках 16, закрепленных в корпусах 17, 18, и на подшипниках 19, закрепленных в крышках 20 и 21. На концах кривошипные опоры 13, 14 оканчиваются валами отбора мощности 22, 23. В корпусах 17, 18 установлены уплотнительные элементы - манжеты 24. Экцентриситет отверстий кривошипных опор 13, 14 относительно их хвостовиков (валов 22, 23) равен тоже R= S/4. На хвостовиках 5, 6 жестко закреплены шестерни 25, 26, находящиеся в зацеплении с колесами 27, 28 внутреннего зацепления. Колеса 27, 28 жестко закреплены в корпусах 17, 18. Передаточное отношение от шестерен 25, 26 к своим колесам 27, 28 равно 1/2. На кривошипных опорах жестко закреплены противовесы 29, 30. В цилиндре 1 с обеих сторон гильзы 2 закреплены седла 31, 32 клапанов 33, 34. Клапана имеют привод возвратно-поступательного движения известными способами и поэтому этот привод на чертежах не показан.

В крышках цилиндра закреплены или форсунки 35, 36 дизелей или непосредственного впрыска топлива или свечи карбюраторных двигателей.

Таким образом внутри поршневой машины образованы полости 37, 38, которые могут быть или сообщены между собой или изолированы друг от друга перегородками 39 (см. фиг.2), выполненными в блоке цилиндра 1 (на фиг.1 они показаны штриховой линией). Эти полости оснащены патрубками 40, 41 впускных (выпускных) коллекторов, закрепленными на корпусах 17 и 18. Поршневая машина получается двойного действия, т.е. при одном поршне 10 имеются две рабочие камеры 42 и 43. Внутри корпусов 17, 18 имеются полости 44, 45, которые изолированы от своих полостей 38, 37 манжетами 15 и 24, что существенно для данного технического решения.

В стенке поршня 10 выполнены микроотверстия 46, не совпадающие с пазами 3. А в коленвале выполнены отверстия, показанные штриховой линией, сообщающие полости 44 и 45 и отверстия 47 - на выход из отверстия в шейке 4 вовнутрь поршня 10. Эти отверстия имеют ответвления к коренным подшипникам коленвала и подшипникам поршня.

Противовесы 7, 8 динамически уравновешивают массы своих дисков, шейки 4, поршня 10, подшипников 9, элементов 11. Смещенная относительно центра вращения масса кривошипных опор в совокупности с массой противовесов 29, 30 динамически уравновешивает массы коленвала (с его противовесами), поршня 10, подшипников 9, элементов 11, шестерен 25, 26, подшипников 12, манжет 15 и массы этих кривошипных опор в районе подшипников 12.

Для смазки трущихся частей машины в полость, к примеру, 44 через патрубок, не показанный на чертеже, под давлением подается масло. Оно смазывает все детали, находящиеся в этой полости, и перегоняется через отверстие коленвала в полость 45 и вовнутрь поршня 10. В полости 45 оно смазывает все детали, находящиеся в ней. Из поршня 10 через отверстия 46 масло попадает на стенки гильзы 2. Подшипники 9 тоже смазываются. Причем поршень 10 этим маслом (или масляным туманом) охлаждается. Затем масло из поршня 10 через другое отверстие выдавливается в отверстие шейки 4 и в полость 45. Из полости 45 через другой патрубок, не показанный на чертеже, масло подается к маслонасосу или в ванну (может даже - через холодильник).

На фиг.4 показано, что шейка 4 в месте установки на ней поршня выполнена большего размера, чем ширина пазов 3. Для этого гильза 2 и блок цилиндра 1 выполнены разрезанными вдоль их оси (что необходимо для сборки). Поршень 10 может быть выполнен тоже сборным - при цельном коленвале.

Возможен вариант выполнения поршневой машины в многоцилиндровом варианте. В этом случае коленвал выполнен многоколенным - он содержит столько же экцентриковых шеек, сколько цилиндров (поршней). При таком выполнении между каждым цилиндром в блоке цилиндров 1 (который состоит из отдельных блоков) на подшипниках установлены промежуточные опоры с экцентричными отверстиями, в которых на подшипниках установлены экцентриковые шейки коленвала. На этих опорах и на кривошипных опорах 13, 14 или жестко закреплены, или выполнены заодно целое с ними шестерни. Эти шестерни находятся в зацеплении с шестернями, опять же или жестко закрепленными, или выполненными заодно целое с валами. Эти валы (или один вал) установлены на подшипниках в приливах корпусов 17, 18. На этих валах могут быть выполнены кулачки привода возвратно-поступательного движения клапанов 33, 34 через коромысла. В двухтактных ДВС передаточное отношение от кривошипных и промежуточных опор к этим дополнительным валам равно 1/1. Эти дополнительные валы располагаются между цилиндрами. Все это чертежами не показано, т.к. конструктивно легко выполнимо.

Поршневая машина по фиг.1-3, к примеру, в качестве двухтактного ДВС-дизеля с прямоточной продувкой цилиндра работает следующим образом. В положении, показанном на фиг.1, форсунка 36 впрыскивает топливо. Клапана 33 открыты. Через патрубки 40, 41 подается сжатый воздух от компрессора или турбонаддува в полости 37, 38 (они сопряжены между собой - перегородки 39 отсутствуют). Из полостей 37, 38 воздух через открытые поршнем пазы 3 (на величину h) продувает камеру 42 через открытые впускные клапана 33, выгоняя отработанные газы. При работе газов в камере 43 поршень двигается вниз, давит на шейку 4, вращая коленвал и вращая кривошипные опоры - вращая валы 22, 23, а пары шестерен 25-27, 26-28 не дают поршню прижиматься к стенке гильзы 2. При движении поршня вниз открываются им уже вверху пазы 3 и принудительно открываются клапана 34 - производится продувка камеры 43. А при закрытии пазов 3 внизу поршнем клапана 33 закрываются - производится сжатие воздуха в камере 42. Затем цикл повторяется. При работе машины шейка 4 ходит в пазах 3.

При петлевой продувке камер полость 37 изолирована от полости 38 перегородками 39. В этом случае клапана 33,34 отсутствуют. Патрубок 40 - впускной, а патрубок 41 - выпускной. В этом случае ДВС работает по известной схеме работы двухтактного ДВС с петлевой продувкой рабочих камер. Уплотнительные элементы 15, 24 со стороны полости 38 выполнены жаростойкими.

Возможен вариант выполнения четырехтактного ДВС. Но в этом случае поршень должен быть длинным, чтобы пазы 3 им не открывались. А в крышках цилиндра установлены впускные и выпускные клапана. Или поршень делается такой же длины, как на фиг.1, патрубки 40, 41 - выпускные. Но при этом полезный ход поршня уменьшается на длину S-h.

При неизмененном ходе (S) поршня величину h при проектировании определяют длиной Н и она равна H=2S+d-2h.

Таким образом, поршневая машина получается роторно-поршневой (именно - поршневой), т. к. вращающиеся части уравновешены противовесами, поршень - круглого сечения (цилиндр - тоже), поршневые кольца - широко в машиностроении применяемы, впускные и выпускные окна в гильзе (цилиндре) за счет предлагаемого технического решения совпадают с технологическими пазами, выполненными в стенке гильзы (цилиндра) - это и будет составлять технико-экономический эффект предлагаемого изобретения.

Пример выполнения машины. К примеру, необходимо выполнить двухтактный карбюраторный ДВС мощностью 75-80 л.с.

Решение: принимаем диаметр поршня 82 мм. Ход поршня принимаем 100 мм. При h= 30 мм полезный ход поршня будет 70 мм. Длина поршня будет H=2S+d-2h= 200+40-60=180 мм (d=40 мм - диаметр экцентриковой шейки коленвала).

Тогда В частности, для сравнения - ДВС модели 331.10 "Москвича": четырехцилиндровый, четырехконтактный, D_цил=82 мм, S=70 мм, Р_е=9,5, n=5500 об/мин развивает мощность всего 72 л.с., т.к. у него кпд всего 0,85.

Формула изобретения

1. Поршневая машина, содержащая корпус с цилиндром и гильзой, вращающиеся кривошипные опоры с эксцентричными отверстиями, выемками и хвостовиками, коленчатый вал с коренными и эксцентриковой шейками, неподвижные зубчатые колеса внутреннего зацепления, жестко связанные с корпусом, шестерни, установленные на концах коренных шеек и выполненные с возможностью взаимодействия с зубчатыми колесами внутреннего зацепления, поршень с кольцевыми канавками и поршневыми кольцами, размещенный в гильзе с образованием двух камер переменного объема и установленный на эксцентриковой шейке коленчатого вала, выходной вал, жестко связанный или выполненный заодно целое с хвостовиком одной из кривошипных опор, и крышки цилиндров, причем коренные шейки коленчатого вала размещены в эксцентричных отверстиях кривошипных опор с возможностью вращения, отличающаяся тем, что в гильзе выполнены два продольных аксиально расположенных паза, в которых расположена эксцентриковая шейка коленчатого вала, окончания пазов являются или выпускными окнами или впускными окнами или окончания одного паза являются впускными окнами, а окончания другого паза - выпускными окнами, причем поршень, цилиндр и гильза выполнены или круглого сечения, или прямоугольного сечения, или в виде фигуры, ограниченной двумя параллельными прямыми, сопряженными двумя дугами окружности, или эллипсного сечения.

2. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что коренные шейки коленвала и кривошипные опоры оснащены со стороны гильзы уплотнительными элементами, например, манжетами.

3. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что образованные полости между гильзой и торцами кривошипных опор сообщены или обе с впускным коллектором или обе с выпускным коллектором или одна с впускным коллектором, а другая с выпускным коллектором, в последнем случае полости изолированы друг от друга перегородками, выполненными в блоке цилиндра.

4. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что эксцентриковая шейка коленвала в месте пазов гильзы выполнена одного диаметра, а в середине она выполнена большего диаметра, гильза и блок цилиндра в этом случае выполнены разрезанными вдоль.

5. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что поршень выполнен или цельным пустотелым или составным пустотелым.

6 Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что коленвал и кривошипные опоры оснащены противовесами.

7. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что в коленвале выполнено центральное отверстие для прохождения смазки с ответвлениями на коренные подшипники коленвала, на подшипники поршня, в полость поршня и из полости поршня, в стенках поршня выполнены отверстия.

8. Поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что в случае выполнения ее в многоцилиндровом варианте коленвал содержит количество эксцентриковых шеек, равное количеству цилиндров, между вращающимися кривошипными опорами с эксцентричными отверстиями в корпусе установлены на подшипниках промежуточные опоры с эксцентричными отверстиями, в которых установлены с возможностью вращения эксцентриковые шейки коленвала, на промежуточных опорах и на кривошипных опорах или жестко закреплены или выполнены заодно целое с ними шестерни, находящиеся в зацеплении с шестернями или одного вала или нескольких валов, установленных на подшипниках в корпусе, причем эти валы служат в качестве распредвала с выполненными на них кулачками для привода через коромысла клапанов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4