Поршневой двигатель
Изобретение относится к области двигателестроения. Технический результат заключается в упрощении конструкции и в возможности повышения КПД двигателя за счет конструктивных особенностей, позволяющих превратить поступательное движение поршня во вращательное движение вала. Согласно изобретению двигатель содержит корпус круглой цилиндрической формы, рабочие полости, поршень и вал, установленный на подшипниках внутри корпуса. На валу двигателя жестко закреплен цилиндр, коаксиально которому размещен полый поршень. В верхней части поршня установлено удерживающее подвижное соединение, выполненное в виде одиночных шарикоподшипников так, что половина диаметра последних размещена в конусных гнездах неподвижных пробок, выполненных в корпусе, а половина диаметра - в направляющих канавках, выполненных на наружной поверхности поршня параллельно его оси. Между цилиндром и поршнем также установлено рабочее подвижное соединение в виде одиночных шарикоподшипников, половина диаметра которых расположена в конусных гнездах неподвижных пробок, размещенных в поршне, а половина диаметра - в направляющих канавках, выполненных на поверхности цилиндра в виде одной или нескольких параллельных замкнутых кривых. В корпусе расположены выпускные отверстия, а в его торцах впускные клапаны. На валу двигателя укреплен маховик. 3 ил.
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым многоцелевым двигателям, и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания на сухопутных, воздушных, водных транспортных средствах, а также в энергомашиностроении в качестве стационарных двигателей для компрессоров, электрогенераторов, паровых и других машин и механизмов.
Известен поршневой двигатель, содержащий размещенные в корпусе и расположенные параллельно оси вала поршни с шатунами, подвижную шайбу, соединенную с шатунами при помощи шаровых опор, и косую шайбу, причем между корпусом, имеющим круглую цилиндрическую поверхность, и валом образованы несколько полостей некруглой цилиндрической формы, в которых размещены поршни с шатунами; подвижная шайба оперта на неподвижную косую шайбу и шарнирно соединена с валом, имеющим две параллельные оси вала плоскости, причем шаровые или цилиндрические сегменты зафиксированы в подвижной шайбе и оперты на указанные плоскости (см. Патент РФ №2008477, кл. F 02 B 75/32, 1994 г.).
Недостатком двигателя является наличие значительного количества подвижных соединений в механизме преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение вала, что приводит к уменьшению механического КПД двигателя и усложняет его конструкцию.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коренного вала, состоящий из поршней, размещенных в цилиндрах, кинематически связанных с шатунами через зубчатую передачу попеременного внутреннего зацепления с коренным валом двигателя, а также механизм газораспределения системы питания, смазки и охлаждения, причем в нижней головке шатуна каждой цилиндропоршневой группы расположено колесо зубчатой передачи, а шестерня закреплена на прямом валу, вал установлен в подшипниках качания, расположенный в опорах блока цилиндра, контур колеса выполнен из участков различной кривизны, например, в виде овала, боковые зубчатые поверхности которого выполнены с меньшей кривизной, могут быть прямолинейными, попеременно взаимодействующими с шестерней, одна зубчатая боковая поверхность овала соответствует прямому ходу поршня, другая - его обратному ходу, а верхняя и нижняя поверхности овала выполнены гладкими и большей кривизны, но не более кривизны зубья шестерни, и в рабочем цикле соответствуют фазе смены направления движения поршня, шестерня зубчатой передачи имеет кулачок, выполненный на стороне, противоположной ее рабочим зубцам, попеременно взаимодействующей во время рабочего цикла с упорами, которые установлены параллельно зубчатым боковым поверхностям прямого и обратного хода поршня, колесо зубчатой передачи с обеих сторон продольной оси овала шарнирно соединено с шатунами двух противоположно расположенных цилиндров, при этом шарнирные соединения имеют ограничители углового движения, например упругий стержень, жестко установленный перпендикулярно оси одного из элементов соединения, например колеса, и с возможностью изгиба в пределах упругой деформации, в отверстии другого элемента соединения, которое на участке сопряжения со стрежнем выполнено с односторонним уклоном образующей с вершиной угла на периферии, достаточным для упругого изгиба стержня в отверстии, того соединения, которое находится в фазе смены прямого направления движения поршня на обратное с максимальным преломлением оси шатун - колесо и отклонением для бесконтактного перемещения свободной от закрепления зубчатой боковой поверхности колеса относительно шестерни, при этом стержень другого соединения, находящегося в период однонаправленного движения и в фазе смены обратного направления движения поршней на прямое восстанавливает свою прямолинейность в отверстии и стабилизирует положением оси колесо - шатун (см. Патент РФ №2153588, кл. F 02 B 75/32, 2000 г.)
Недостатком данного устройства является сложность конструкции.
Известен поршневой двигатель, содержащий корпус круглой цилиндрической формы, рабочие полости, поршни, размещенные в рабочих полостях, косую шайбу с наклонной рабочей поверхностью, вал, установленный на подшипниках внутри корпуса и в косой шайбе и ползуны, число которых равно числу поршней, причем ползуны размещены с возможностью взаимодействия с косой шайбой и через шарнирные соединения кинематически связанные с поршнями, причем на наклонной поверхности выполнена кольцевая канавка, ползуны размещены в последней, кинематическая связь поршней с ползунами выполнена в виде шатунов, шарнирные соединения которых с ползунами выполнены с одной степенью свободы в виде цилиндрических цапф шатунов, размещенных в цилиндрических поверхностях ползунов, причем рабочие полости выполнены некруглой цилиндрической формы, образованные проточками на валу и корпусом, а ось цапфы шатуна расположена параллельно плоскости канавки и перпендикулярно ее радиусам (см. Патент РФ №2083857, кл. F 02 В 75/26, прототип).
Недостатками данного поршневого двигателя являются наличие многих деталей, сложность их конструкции, снижающих надежность и долговечность работы двигателя, а также невысокое КПД.
Настоящим изобретением решается задача упрощения конструкции, повышение КПД двигателя за счет конструктивных особенностей, позволяющих превратить поступательное движение поршня во вращательное движение вала.
Техническая задача решается тем, что поршневой двигатель, содержащий корпус круглой цилиндрической формы, рабочие полости, поршень и вал, установленный на подшипниках внутри корпуса, причем на валу жестко закреплен цилиндр, коаксиально которому размещен полый поршень, в верхней части которого установлено удерживающее подвижное соединение, выполненное в виде одиночных шарикоподшипников, так, что половина диаметра последних размещена в конусных гнездах неподвижных пробок, выполненных в корпусе, а половина диаметра - в направляющих канавках, выполненных на наружной поверхности поршня, параллельно его оси, причем между цилиндром и поршнем также установлено рабочее подвижное соединение в виде одиночных шарикоподшипников, половина диаметра которых расположена в конусных гнездах неподвижных пробок, размещенных в поршне, а половина диаметра - в направляющих канавках, выполненных на поверхности цилиндра в виде одной или нескольких параллельных замкнутых кривых, а в торцах корпуса расположены впускные и выпускные клапаны и выпускные отверстия, распложенные на его периферической поверхности, причем на валу укреплен маховик, что соответствует критерию изобретения “новизна”.
Сравнение заявляемого двигателя с известными показывает, что поршень имеет возможность двигаться внутри корпуса по цилиндрической рабочей поверхности вала с двумя степенями свободы относительно своей оси, достигаемых за счет подвижного соединения, представляющего собой несколько одиночных шарикоподшипников, наполовину диаметра утопленных в неподвижных пробках корпуса и наполовину диаметра - в направляющих канавках на наружной поверхности поршня, параллельно его оси на длину, равную рабочему ходу поршня, при этом происходит превращение поступательного движения поршня во вращательное движение вала посредством подвижного соединения, представляющего собой несколько одиночных шарикоподшипников, наполовину диаметра утопленных в конусных гнездах неподвижных пробок поршня и наполовину диаметра - в направляющих канавках, выполненных на цилиндрической рабочей поверхности вала в виде одной или нескольких параллельных замкнутых бесконечных кривых, что позволяет получать до пяти оборотов вала за один рабочий ход поршня, при этом за один ход поршня происходит разгон маховика, что позволяет быстро набрать скорость, а отсутствие шатунов, пальцев позволяет избежать вибрации, что не достигается в известных двигателях и соответствует критерию изобретения “изобретательский уровень”.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 - изображен общий вид устройства.
На фиг.2 - разрез по А - А.
На фиг.3 - разрез по Б - Б.
Устройство состоит из полого корпуса 1 цилиндрической формы, в подшипниках 2 которого установлен вал 3. На валу 3 жестко закреплен цилиндр 4, коаксиально которому расположен полый поршень 5, делящий корпус 1 на две полости (камеры сгорания I и II). Между корпусом и верхней частью поршня 5 установлено удерживающее подвижное соединение 6, которое выполнено в виде одиночных шарикоподшипников так, что 1/2 их диаметра размещается в конусных гнездах неподвижных пробок 7, выполненных в корпусе 1, а 1/2 диаметра - в направляющих канавках, выполненных на наружной поверхности поршня 5, параллельно его оси.
Между цилиндром 4 и поршнем 5 установлено рабочее подвижное соединение 8, которое также выполнено в виде одиночных шарикоподшипников, 1/2 диаметра которых расположено в конусных гнездах неподвижных пробок 9, размещенных в поршне 5, а 1/2 диаметра - в направляющих канавках, выполненных на поверхности цилиндра 4 в виде одной или нескольких параллельных замкнутых кривых.
В торцах корпуса 1 расположены впускные клапаны 10 и выпускные отверстия 11, расположенные на его периферической поверхности.
На валу 3 укреплен маховик 12.
Устройство работает следующим образом.
Вращение от стартера (на чертеже не показан) по часовой стрелке передается валу 3, при этом подвижное рабочее соединение 8 перемещает поршень 5 в осевом направлении из крайнего левого положение (верхней мертвой точки для поршня в камере сгорания I) в крайнее правое положение (верхняя мертвая точка в камере сгорания II), постепенно сжимая поступивший в камеру сгорания II через впускные клапаны 10 воздух. Посредством инжектора в камеру сгорания II впрыскивается горючее и производится искровой разряд свечи. Происходит сгорание горючей смеси. Расширяющие газы создают давление на торец поршня 5 и заставляют последний перемещаться соосно вала 3 из крайнего правого положения (верхней мертвой точки камеры сгорания II) до крайнего левого положения (нижней мертвой точки камеры сгорания II). При этом происходит перемещение одиночных шарикоподшипников удерживающего подвижного соединения 6 по канавкам, выполненным соосно на поверхности поршня 5, которые удерживают его от радиальных перемещений. В то же время одиночные шарикоподшипники рабочего подвижного соединения 8, двигаясь по винтовым канавкам, выполненным на поверхности цилиндра 4, заставляют вращаться вал 3 по часовой стрелке (за один рабочий ход поршня на один оборот). Затем открываются выпускные отверстия 11 на периферической поверхности и происходит выпуск отработанных газов.
Одновременно с процессом выпуска отработанных газов левый торец поршня 5 перемещается из крайнего правого положения (нижней мертвой точки камеры сгорания I) в крайнее левое положение (верхнюю мертвую точку камеры сгорания I), постепенно сжимая поступивший в камеру сгорания I через впускные клапаны 10 воздух. Затем через инжектор в камеру сгорания I впрыскивается горючее и происходит искровой разряд свечи. Под воздействием горячей смеси расширяющиеся газы создают давление на торец поршня 5, заставляя его перемещаться соосно валу 3 из крайнего левого положения (верхней мертвой точки камеры сгорания I) до крайнего правого положения (нижней мертвой точки камеры сгорания I), при этом происходит перемещение одиночных шарикоподшипников удерживающего подвижного соединения 6 по канавкам, выполненным соосно на поверхности поршня 5, которые удерживают его от радиальных перемещений, в то же время одиночные шарикоподшипники рабочего подвижного соединения 8, двигаясь по винтовым канавкам, выполненным на поверхности цилиндра 4, заставляют вращаться вал 3 по часовой стрелке (за один рабочий ход поршня на один - пять оборотов в зависимости от конфигурации направляющих канавок). Затем открываются выпускные отверстия 11 и происходит выпуск отработанных газов.
Затем цикл повторяется.
Таким образом, за два рабочих хода поршня происходит вращение вала на 2-10 оборотов в зависимости от конфигурации направляющих канавок и вида двигателя.
Поршневой двигатель, содержащий корпус круглой цилиндрической формы, рабочие полости, поршень и вал, установленный на подшипниках внутри корпуса, отличающийся тем, что на валу жестко закреплен цилиндр, коаксиально которому размещен полый поршень, в верхней части которого установлено удерживающее подвижное соединение, выполненное в виде одиночных шарикоподшипников так, что половина диаметра последних размещена в конусных гнездах неподвижных пробок, выполненных в корпусе, а половина диаметра - в направляющих канавках, выполненных на наружной поверхности поршня параллельно его оси, причем между цилиндром и поршнем также установлено рабочее подвижное соединение в виде одиночных шарикоподшипников, половина диаметра которых расположена в конусных гнездах неподвижных пробок, размещенных в поршне, а половина диаметра - в направляющих канавках, выполненных на поверхности цилиндра в виде одной или нескольких параллельных замкнутых кривых, в корпусе расположены выпускные отверстия, а в его торцах впускные клапаны, при этом на валу укреплен маховик.
