Поршневая гибридная энергетическая машина объемного действия с уравновешенным приводом

Изобретение относится к поршневым энергетическим машинам объемного действия и может быть использовано при создании безвибрационных компрессоров, насосов, двигателей внутреннего сгорания, а также гибридных машин - насос-компрессоров и мотор - насос-компрессоров. Машина состоит из корпуса 1, в котором размещены газовые цилиндры 2 и 3 с рабочими поршнями 8 и 9 и с самодействующими всасывающими 4 и 5 и нагнетательными 5 и 6 клапанами. Через штоки 10 и 11 рабочие поршни 8 и 9 соединены с кривошипно-ползунным механизмом 12, который преобразует синхронное и противоположно направленное вращательное движение валов 19 и 20 в возвратно-поступательное движение поршней 8 и 9. С помощью реечного зацепления это движение передается дополнительным поршням 23 и 24, которые в цилиндрах 25 и 26 сжимают и подают жидкость сначала в рубашки охлаждения 51 и 52 цилиндров 2 и 3, а затем потребителю. Цилиндры 25 и 26 снабжены самодействующими всасывающими 35 и 36 и нагнетательными 37 и 38 клапанами. Дополнительные поршни 23 и 24 выполняют функции противовесов, полностью компенсирующих силы инерции движения поршней 8 и 9 с механизмом 12. Повышается удельная мощность машины за счет увеличения отношения мощности к массе машины. Уравновешивание сил инерции неравномерного движения основного или основных поршней достигается за счет использования дополнительных поршней, двигающихся в противофазе с основным или основными поршнями. Увеличивается производительность машины. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к поршневым энергетическим машинам объемного действия и может быть использовано при создании безвибрационных компрессоров, насосов, двигателей внутреннего сгорания, а также гибридных устройств - насос-компрессоров и мотор-насос-компрессоров.

Известна поршневая энергетическая машина объемного действия с уравновешенным приводом, содержащая, по крайней мере, один рабочий цилиндр с газораспределительными органами и размещенный в нем рабочий поршень с направляющим приводным кривошипно-ползунным механизмом, закрепленным на поршне (см., например, патент РФ №2098662, опубл. 10.12.1997).

Известна также поршневая энергетическая машина объемного действия с уравновешенным приводом, содержащая, по крайней мере, один рабочий цилиндр с газораспределительными органами и размещенный в нем рабочий поршень с направляющим приводным кривошипно-ползунным механизмом, закрепленным на поршне и выполненным в виде пластины с пазом, перпендикулярным оси рабочего цилиндра, причем в пазу установлены кривошипы с ведущими пальцами, находящиеся в противофазе друг относительно друга и соединенные с приводными валами, имеющими противовесы (см. патент РФ №2296241, опубл. 27.03.2007).

К недостатку известных машин относится их низкая удельная мощность, т.к. узел привода поршня (сдвоенный кривошипно-ползунный механизм) имеет большую массу из-за того, что в состав привода для обеспечения безвибрационной работы включаются массивные противовесы, которые увеличивают общую массу машины. При таком положении отношение мощности (производительности) машины к ее массе (удельная мощность) является низкой.

Технической задачей изобретения является повышение удельной мощности машины за счет увеличения отношения ее производительности к ее массе.

Указанная техническая задача решается тем, что в известной поршневой энергетической машине с уравновешенным приводом, содержащей, по крайней мере, один рабочий цилиндр с газораспределительными органами и размещенный в нем рабочий поршень с направляющим приводным кривошипно-ползунным механизмом, закрепленным на поршне и выполненным в виде пластины с пазом, перпендикулярным оси рабочего цилиндра, причем в пазу установлены кривошипы с ведущими пальцами, находящиеся в противофазе друг относительно друга и соединенные с приводными валами, имеющими противовесы, согласно изобретению противовесы выполнены в виде, по крайней мере, двух дополнительных поршней с дополнительными цилиндрами, оси которых параллельны оси рабочего цилиндра и расположены с обеих сторон от рабочего цилиндра, причем эти поршни соединены с пластиной через механические передачи.

Механические передачи могут быть выполнены в виде зубчатого реечного зацепления, или в виде гибких ремней или цепей, один конец которых закреплен на пластине, а другой - на подпружиненных дополнительных поршнях.

Дополнительные цилиндры могут иметь всасывающие и нагнетательные клапаны, причем всасывающие клапаны соединены с источником жидкости, а нагнетательные - с рубашкой охлаждения, расположенной вокруг рабочего цилиндра.

Рабочий цилиндр может содержать впускной и выпускной клапаны и через форсунку быть соединенным с топливным насосом высокого давления, а дополнительные цилиндры - снабжены всасывающими и нагнетательными клапанами, причем нагнетательные клапаны соединены с впускным клапаном рабочего цилиндра, всасывающие клапаны соединены с атмосферой, и все упомянутые клапаны имеют привод от распределительного вала с кулачками, взаимодействующими со стержнями клапанов при вращении вала, которое он получает через механическую передачу от одного из приводных валов, соединенных друг с другом через зубчатую передачу.

Рабочий и дополнительные цилиндры могут быть снабжены свечами зажигания, впускными и выпускными клапанами, стержни которых взаимодействуют с кулачками распределительного вала, соединенного через механическую передачу с одним из приводных валов, при этом впускные клапаны соединены с впускным трубопроводом, выпускные клапаны - с выпускным трубопроводом, а приводные валы соединены друг с другом с помощью зубчатой передачи.

Рабочий цилиндр может быть выполнен в виде цилиндра двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и соединен с источником топлива через впускной подпружиненный клапан или через топливную форсунку, к которой топливо подается от топливного насоса высокого давления, и с атмосферой с помощью впускного и выпускного подпружиненных клапанов, контактирующих с кулачками распределительного вала, соединенного через механическую передачу с одним из приводных валов. При этом соосно с рабочим цилиндром на пластине с пазом закреплен поршень или плунжер, размещенный в гидравлическом цилиндре, соединенном через самодействующие жидкостные клапаны с источником и потребителем жидкости, дополнительные цилиндры соединены через самодействующие клапаны с источником и потребителем газа, а линия нагнетания гидравлического цилиндра, начинающаяся за жидкостным нагнетательным клапаном, соединена с рубашками жидкостного охлаждения дополнительных цилиндров и основного цилиндра.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематично изображено сечение машины в плоскости, через которую проходят оси цилиндров машины, выполняющей функции компрессора с приводом дополнительных поршней через реечную зубчатую передачу.

На фиг. 2 схематично изображено подобное фиг. 1 сечение машины с приводом дополнительных подпружиненных поршней через ремень или цепь.

На фиг. 3 схематично изображено аналогичное фиг. 1 сечение машины, выполняющей функции насос-компрессора.

На фиг. 4 схематично изображено аналогичное фиг. 1 сечение машины, выполняющей функции двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Р. Дизеля.

На фиг. 5-7 укрупненно показано сечение машины в зоне цилиндра двигателя внутреннего сгорания, изображенного на фиг. 4.

На фиг. 8 схематично изображено аналогичное фиг. 1 сечение машины, выполняющей функции двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Н. Отто.

На фиг. 9 изображено продольное сечение клапанной плиты двигателя, изображенного на рис. 8.

На фиг 10 изображен вариант машины, в которой рабочий цилиндр является цилиндром ДВС, соосно ему установлен цилиндр с самодействующими жидкостными клапанами, подающий жидкость потребителю и одновременно в рубашки охлаждения ДВС и рубашки охлаждения дополнительных цилиндров, выполняющих функции ступеней компрессора.

Поршневая комбинированная энергетическая машина объемного действия с уравновешенным приводом (фиг. 1), работающая в режиме только компрессора, содержит корпус 1, в котором расположены два рабочих цилиндра 2 и 3 с газораспределительными органами в виде обратных самодействующих клапанов - всасывающие клапаны 4 и 5 и нагнетательные клапаны 6 и 7.

В цилиндрах 2 и 3 размещены рабочие поршни 8 и 9 со штоками 10 и 11, через которые поршни 8 и 9 закреплены на направляющем приводном кривошипно-ползунным механизме 12, выполненном в виде пластины 13 с пазом 14, перпендикулярным общей оси рабочих цилиндров 2 и 3.

В пазу 14 установлены кривошипы 15 и 16 с ведущими пальцами 17 и 18, находящиеся в противофазе друг относительно друга и соединенные с приводными валами 19 и 20. В пазу 14 пластины 13 на пальцах 17 и 18 установлены ползуны 21 и 22.

В корпусе 1 установлены также два дополнительных поршня 23 и 24 с дополнительными цилиндрами 25 и 26, оси которых параллельны оси рабочих цилиндров 2 и 3, и которые расположены с обеих сторон от рабочих цилиндров 2 и 3, причем эти поршни 23 и 24 соединены с пластиной 13 через механические передачи, которые выполнены в виде зубчатых реечных зацеплений, содержащих рейки 27 и 28, выполняющих одновременно функции штоков поршней 23 и 24, шестерен 29 и 30 и реек 31 и 32, установленных на пластине 13.

Ролики 33 и 34 служат для компенсации боковых нагрузок, возникающих при работе зубчатого реечного зацепления.

Дополнительные цилиндры 25 и 26 снабжены всасывающими 35 и 36 и нагнетательными 37 и 38 самодействующими обратными клапанами.

Суммарная масса дополнительных поршней 23 и 24 с рейками 27 и 28 равна суммарной массе рабочих поршней 8 и 9 со штоками 10 и 11, пластиной 13 с рейками 31 и 32, ползунами 21 и 22 и с приведенными массами кривошипов 15 и 16.

Приводные валы 19 и 20 вращаются синхронно в противоположных направлениях (показано стрелками), например, двумя электродвигателями с близкими электромеханическими характеристиками (частота вращения, крутящий момент).

Оси вращения шестерен 29 и 30, а также оси вращения роликов 29 и 30 неподвижны относительно корпуса 1.

Расстояния от осей вращения приводных валов 19 и 20 до общей оси цилиндров 2 и 3, а также радиусы кривошипов 15 и 16 равны между собой.

Машина, изображенная на фиг. 2, отличается от изображенной на фиг. 1 тем, что механические передачи привода дополнительных поршней 23 и 24 выполнены в виде гибких ремней 39 и 40, одни концы которых закреплены на пластине 13, а другие - на штоках 41 и 42 дополнительных поршней 23 и 24, которые подпружинены пружинами возврата 43 и 44. Ремни «перекинуты» через ролики 45 и 46. Вместо ремней 39 и 40 могут использоваться цепи. В этом случае вместо роликов 45 и 46 можно использовать звездочки.

Машина, схематичное сечение которой показано на фиг. 3, отличается от машины, показанной на фиг.1, тем, что дополнительные поршни 23 и 24 сжимают в дополнительных цилиндрах и подают потребителю жидкость. Всасывание жидкости производится из бака 47 по линии всасывания 48, нагнетание потребителю производится по линии нагнетания 49, возврат от потребителя - по обратной линии 50. Прежде чем попасть в линию нагнетания 49, жидкость проходит через рубашки охлаждения 51 и 52 цилиндров 2 и 3, охлаждая сжимаемый газ и повышая тем самым коэффициент полезного действия машины при сжатии газа. Таким образом, всасывающие клапаны 35 и 36 дополнительных цилиндров 25 и 26 соединены с источником жидкости, а нагнетательные 37 и 38 - с рубашками охлаждения 51 и 52, расположенными вокруг рабочих цилиндров 2 и 3.

На фиг. 4 схематично показано поперечное сечение машины, выполняющей функции двигателя внутреннего сгорания с надувом, работающего по циклу Р. Дизеля. В этом варианте рабочий цилиндр 2 содержит впускной 53 и выпускной 54 подпружиненные клапаны и через форсунку 55 соединен с топливным насосом высокого давления (ТНВД), а дополнительные цилиндры 25 и 26 снабжены подпружиненными всасывающими 56 и 57 и нагнетательными клапанами 58 и 59. Все клапаны установлены в клапанной плите 60. Нагнетательные клапаны 58 и 59 соединены каналами 61 и 62 с впускным клапаном 53 рабочего цилиндра 2. Всасывающие клапаны 56 и 57 соединены с атмосферой через фильтры (на чертеже условно не показаны), и все упомянутые клапаны имеют привод от распределительного вала 63 с кулачками 64, 65, 66, 67, 68 и 69, взаимодействующими со стержнями упомянутых клапанов при вращении распределительного вала 63.

Распределительный вал 63 получает вращение через механическую передачу (условно на чертеже показана штриховой линией 70) от одного из приводных валов 19 или 20 (в данном примере - от вала 20), соединенных друг с другом через зубчатую передачу 71-72. Механическая передача, обозначенная условно линией 70, обеспечивает вращение распределительного вала 63 с частотой, в 2 раза меньшей, чем частота вращения валов 19 и 20.

Крутящий момент, создаваемый двигателем, снимается с одного из валов 19 или 20, или с обоих этих валов.

Выпускной клапан 54 соединен с выпускным каналом 73 (см. также фиг. 5-7) и далее через глушитель (на чертеже условно не показан) - с атмосферой. Нижняя часть корпуса 1 выполняет функцию картера, в котором находится смазочное масло 74.

В этой конструкции также сумма масс деталей, двигающихся в одну сторону равна сумме масс деталей, двигающихся одновременно в противоположную сторону.

На фиг. 8 и 9 показан вариант конструктивного выполнения машины в виде двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Н. Отто.

Здесь рабочий 2 и дополнительные 25 и 26 цилиндры снабжены свечами зажигания 75, 76 и 77, установленными в клапанной плите 60 и подключенными к системе зажигания (на фиг. 8 подключение показано жирными линиями), впускными 53, 56, 57 и выпускными 54, 58 и 59 клапанами, стержни которых взаимодействуют с кулачками 64, 65, 66, 67, 68 и 69 распределительного вала 63, соединенного через механическую передачу (линия 70) с одним из приводных валов 19 или 20 (в данном примере - вал 20). Причем впускные клапаны 53, 56 и 57 соединены с впускным трубопроводом 78, выпускные 54, 58 и 59 соединены с выпускным трубопроводом 79, а приводные валы 19 и 20 соединены друг с другом с помощью зубчатой передачи 71. Дополнительные цилиндры 25 и 26, так же как и рабочий цилиндр 2, снабжены жидкостными рубашками охлаждения 80 и 81.

Как и в предыдущем варианте конструкции, крутящий момент, создаваемый двигателем, снимается с одного из валов 19 или 20, или с обоих валов, а сумма масс деталей, двигающихся в одну сторону, равна сумме масс деталей, двигающихся одновременно в противоположную сторону.

На фиг. 10 показано упрощенное изображение сечения комбинированной машины, в которой вырабатываемая ДВС энергия расходуется на получение сжатого газа и жидкости под давлением.

В этой конструкции рабочий цилиндр 2 выполнен в виде цилиндра двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего по циклу Р. Дизеля. Этот цилиндр соединен с источником топлива через топливную форсунку 55, к которой топливо подается от топливного насоса высокого давления (ТНВД, на чертеже условно не показан), и соединен с атмосферой с помощью впускного 53 и выпускного 54 подпружиненных клапанов, контактирующих с кулачками 66 и 67 распределительного вала 63. Этот вал соединен через механическую передачу (показана условно штриховой линией 70) с одним из приводных валов 19 и 20 (в данном случае - с валом 20). Соосно с рабочим цилиндром 2 на пластине 13 с пазом 14 закреплен через шток 11 поршень 82, размещенный в гидравлическом цилиндре 83, соединенном через самодействующие жидкостные клапаны 84 и 85 с источником и потребителем жидкости. Дополнительные цилиндры 25 и 26 соединены через самодействующие клапаны 35, 36, 37 и 38 с источником и потребителем газа, а линия нагнетания 86 гидравлического цилиндра 83, начинающаяся за жидкостным нагнетательным клапаном 85, соединена с рубашками жидкостного охлаждения 80 и 81 дополнительных цилиндров 25 и 26 и с рубашкой охлаждения 51 рабочего цилиндра 2. Теплообменник 87 служит для охлаждения жидкости, поступающей к потребителю. Возврат жидкости от потребителя происходит в нижнюю полость 88 корпуса 1, которая выполняет одновременно функцию картера и гидробака.

В этой конструкции также сумма масс деталей, двигающихся в одну сторону равна сумме масс деталей, двигающихся одновременно в противоположную сторону.

Машина работает следующим образом (фиг. 1).

При синхронном и противоположно направленном вращении приводных валов 19 и 20 кривошипы 15 и 16 ведущими пальцами 17 и 18 перемещают ползуны 21 и 22 в пазу 14 пластины 13, в результате чего соединенные с пластиной через штоки 10 и 11 поршни 8 и 9 совершают возвратно-поступательное движение в цилиндрах 2 и 3, изменяя объем этих цилиндров. При изменении объема цилиндров 2 и 3 газ всасывается через клапаны 4 и 5, сжимается в этих цилиндрах и нагнетается потребителю через клапаны 6 и 7.

В связи с тем, что ползуны 21 и 22 всегда двигаются с одной скоростью в противоположном направлении вдоль оси паза 14, перпендикулярного общей оси цилиндров 2 и 3, расстояние осей валов 19 и 20 до общей оси цилиндров 2 и 3 равны между собой, радиусы кривошипов 17 и 18 также равны между собой, создаваемые ползунами 21 и 22 усилия вдоль этой оси также равны между собой. В результате этого на поршни 8 и 9 не действуют опрокидывающие моменты и боковые усилия.

При возвратно-поступательном движении пластины 13 вместе с ней двигаются закрепленные на ее концах рейки 31 и 32, которые вращают шестерни 29 и 30. Вращение этих шестерен преобразуется с помощью реек 27 и 28 в поступательное движение закрепленных на рейках поршней 23 и 24 в направлении, противоположном движению поршней 8 и 9. При движении поршней 23 и 24 происходит изменение объемов цилиндров 25 и 26, в результате чего газ всасывается через клапаны 35 и 36, сжимается и подается потребителю через клапаны 37 и 38.

При работе реечного зацепления «шестерня-рейка» возникают усилия, направленные перпендикулярно оси вращения шестерни. Эти усилия, направленные в сторону реек 27 и 28 компенсируются установкой роликов 33 и 34, «подпирающих» рейки 27 и 28. Усилия, направленные от шестерен 29 и 30 в сторону реек 31 и 3, равны между собой и взаимно уничтожаются.

В связи с тем, что суммарная масса и ускорение двигающихся в одну сторону деталей равны суммарной массе и ускорению деталей, двигающихся в противоположную сторону, силы инерции, возникающие при неравномерном (ускоренном или замедленном) движении всех деталей, равны по величине, противоположно направлены и взаимно уничтожают друг друга.

Таким образом, использование в качестве противовесов дополнительных поршней 23 и 24 позволяет сделать работу всей машины безвибрационной без использования традиционных противовесов, которые устанавливаются на приводных валах.

Работа машины, изображенной на фиг. 2, протекает аналогично работе машины, изображенной на фиг. 1. Разница состоит в том, что при использовании гибкой связи между пластиной 12 и поршнями 23 и 24, которая осуществляется за счет «перекинутых» через ролики или звездочки 45 и 46 ремней или цепей 39 и 40, схема привода поршней 23 и 24 упрощается. Однако при этом возникает ограничение давления, которое может быть создано в цилиндрах 25 и 26, а также ограничение частоты возвратно-поступательного движения поршней 23 и 24. Эти ограничения определяются характеристиками пружин 43 и 44 и массой поршней 23 и 24 со штоками 41 и 42.

Работа машины, изображенной на фиг. 3, протекает аналогично работе машины, изображенной на фиг. 1.

Разница состоит в том, дополнительные цилиндры 25 и 26 соединены через клапаны 35 и 36 с источником жидкости, которым в данном примере является бак 47, а нагнетательные клапаны 37 и 38 соединены с потребителем через рубашки 51 и 52 цилиндров 2 и 3.

В этом случае при возвратно-поступательном движении поршней 23 и 24 жидкость всасывается в цилиндры 25 и 26 по линии всасывания 49, сжимается в них и подается сначала в рубашки 51 и 52 цилиндров 2 и 3, где сжимается газ, а затем уже по линии нагнетания 49 направляется потребителю, от которого возвращается назад в бак 47 по обратной линии 50. Таким образом, во время работы машины жидкость протекает через рубашки 51 и 52, отнимая теплоту сжатия от сжимаемого в цилиндрах 2 и 3 газа, и повышая экономичность работы машины за счет приближения процесса сжатия газа к изотермическому. Прежде, чем попасть к потребителю, жидкость может проходить по теплообменнику (на чертеже условно не показан) для снижения ее температуры.

На фиг. 4-7 показан пример выполнения машины в виде дизельного ДВС с наддувом. Здесь вращение обоих валов 19 и 20 синхронизировано шестернями 71 и 72, причем крутящий момент от машины может отводиться как по одному из этих валов, так и от обоих валов. Рабочим цилиндром ДВС, в котором сжигается топливо, является цилиндр 2, а дополнительными цилиндрами, в которых сжимается воздух, являются цилиндры 25 и 26. На фиг. 4 показано положение поршня 8 ДВС в конце рабочего хода, когда продукты сгорания топлива расширяются в цилиндре 2. Этот ДВС работает как четырехтактный дизельный двигатель, работой клапанов управляет распределительный вал 63, кулачки которого своевременно открывают и закрывают клапаны.

Машина работает следующим образом (фиг. 4).

1. Рабочий ход ДВС.

При осуществлении рабочего хода находящиеся под большим давлением в цилиндре 2 продукты сгорания расширяются, давят на поршень 8, и он движется вниз к положению нижней мертвой точки (НМТ), передавая движение ползунам 21 и 22, которые в кривошипно-ползунном механизме 12 преобразуют возвратно-поступательное движение поршня 8 во вращательное движение валов 19 и 20. В это время впускной и выпускной клапаны 53 и 54 закрыты, т.к. на них не действуют кулачки 66 и 67 распределительного вала 63.

В то же время дополнительные поршни 23 и 24 идут вверх, вытесняя воздух из цилиндров 25 и 26 через открытые всасывающие клапаны 56 и 57 (холостой ход). Во время этого холостого хода происходит обдув внутренних поверхностей цилиндра 25, что способствует снижению их температуры. Открытое положение клапанов 56 и 57 и закрытое положение клапанов 58 и 59 обеспечивается соответственно нажимом кулачков 64 и 69 и отсутствием действия кулачков 65 и 68 распределительного вала 63.

2. Ход выпуска (выхлопа) ДВС.

После прохождения положения НМТ поршень 8 движется вверх, к положению верхней мертвой точки (ВМТ). При этом кулачок 67 нажимает на стержень выпускного клапана 54, и отработавшие газы вытесняются через этот клапан поршнем 8 в атмосферу. Впускной клапан 53 при этом закрыт, т.к. на него не действует кулачок 66.

В это же время поршни 23 и 24 идут вниз, всасывающие клапаны 56 и 57 под действием кулачков 64 и 69 продолжают оставаться открытыми, и воздух из атмосферы всасывается через эти клапаны в цилиндры 25 и 26. Нагнетательные клапаны 58 и 59 остаются закрытыми, т.к. на них не действуют кулачки 65 и 68.

3. Ход впуска ДВС.

После прохождения поршня 8 положения в ВМТ, кулачок 67 уходит от стержня выпускного клапана 54, и этот клапан закрывается, а кулачок 66 нажимает на стержень впускного клапана 53, и этот клапан открывается.

Одновременно кулачок 64 уходит от стержня всасывающего клапана 56, а кулачк 69 - от стержня клапана 57, и эти клапаны закрываются. В то же время кулачок 65 нажимает на стержень нагнетательного клапана 58, а кулачк 68 - на стержень нагнетательного клапана 59, и эти клапаны открываются.

Поршень 8 движется из положения ВМТ вниз к положению НМТ, а поршни 23 и 24 - вверх из положения НМТ к положению ВМТ. При этом воздух из цилиндров 23 и 24 нагнетается по каналам 61 и 62 (см. также фиг. 5-7) в цилиндр 2. Поскольку суммарный объем цилиндров 23 и 24 существенно (ориентировочно - в 1,5-2 раза) превышает объем цилиндра 2, постольку в конце хода поршня 8 вниз, а поршней 23 и 24 вверх, давление в цилиндре 2 становится намного больше атмосферного (с учетом объема каналов 61 и 62 и нагрева воздуха при сжатии в совместном объеме цилиндров 23, 24 и 2 - ориентировочно в 2-2,5 раза).

При подходе поршня 8 к положению НМТ, а поршней 23 и 24 - к положению ВМТ кулачки 65 и 68 отходят от стержней клапанов 58 и 59, и эти клапаны закрываются, а кулачки 64 и 69 нажимают на стержни клапанов 56 и 57, и эти клапаны открываются. Кулачок 66 отходит от стрежня клапана 53 и этот клапан закрывается.

4. Ход сжатия ДВС.

После прохождения НМТ поршень 8 движется вверх, сжимая воздух, находящийся над ним в цилиндре 2. Степень сжатия у дизельных ДВС находится в пределах 16-22, в связи, с чем при сжатии воздух сильно нагревается.

В свою очередь поршни 23 и 24 движутся вниз, и через открывшиеся клапаны 56 и 57 в цилиндры 25 и 26 поступает свежая порция воздуха из атмосферы.

Когда поршень 8 приближается к положению ВМТ, через форсунку 55 начинается впрыск дизельного топлива в цилиндр 2. В связи с высокой температурой находящегося в цилиндре 2 над поршнем 8 воздуха и высокой температурой стенок цилиндра и особенно - поверхности вогнутого днища поршня топливо быстро испаряется и воспламеняется с образованием продуктов горения с высоким давлением. Это давление давит на поршень, который после прохождения положения ВМТ движется от ВМТ вниз к положению в НМТ, передавая работу расширения продуктов сгорания через кривошипно-ползунный механизм 12 валам 19 и 20.

Затем цикл работы повторяется.

Для охлаждения стенок цилиндра 2 через рубашку 51 прокачивается жидкость от насоса (на чертеже условно не показан), который приводится в движение от одного из валов - 19 или 20.

В данной конструкции машины, представляющей собой дизельный ДВС с полностью уравновешенным приводом, при наддуве воздуха, который производится поршнями 23 и 24, возможна подача в рабочий цилиндр 2 большого количества воздуха, гораздо большем, чем при традиционном турбонаддуве, и, соответственно, можно сжечь гораздо большее количество топлива за один цикл. Кроме того, такая подача воздуха в рабочий цилиндр 2 происходит синхронно с его работой, т.е. нет эффекта запаздывания изменения количества подаваемого в цилиндр 2 воздуха с изменением частоты вращения двигателя, характерного для ДВС с турбонаддувом.

На фиг. 8 показано упрощенное сечение ДВС, работающего по циклу Н. Отто (бензиновый ДВС). На чертеже показан момент, в котором поршень 8 совершает рабочий ход (расширение продуктов сгорания) при котором продукты сгорания давят на поршень, который передает работу их расширения на валы 19 и 20 через кривошипно-ползунный механизм 12. В этот же момент времени в цилиндрах 25 и 26 происходит процесс сжатия рабочей смеси, которая образуется путем смешения остатков продуктов сгорания от предыдущего цикла со свежей порцией горючей смеси, которая подается ко всем трем цилиндрам по впускному трубопроводу 78 (см. фиг. 9). Эта смесь образуется путем смешения бензина с воздухом в карбюраторе (на чертеже условно не показан), либо путем впрыска топлива через форсунку или форсунки (на чертеже условно не показаны) в поток всасываемого через впускной трубопровод 78 воздуха.

Для охлаждения стенок цилиндров 2, 25 и 26 через рубашки 51, 80 и 81 прокачивается жидкость от насоса (на чертеже условно не показан), который приводится в движение от одного из валов - 19 или 20.

Работа цилиндров 2, 25 и 26 не отличается от работы цилиндров обычного четырехтактного бензинового двигателя с искровым зажиганием и пояснения не требует.

На фиг. 10 схематично показана машина для автономного сжатия и подачи потребителю одновременно сжатого газа и жидкости под давлением.

Цилиндр 2 работает в режиме ДВС дизельного или бензинового типа с принудительным открытием и закрытием клапанов за счет действия кулачков 66 и 67, вращающихся вместе с распределительным валом 63 (на чертеже показан вариант дизельного ДВС). Цилиндры 25 и 26 с самодействующими всасывающими 35 и 36 клапанами и с нагнетательными 37 и 38 клапанами работают в режиме компрессора, а цилиндр 83 с самодействующим всасывающим 84 и нагнетательным 85 клапанами - в режиме насоса.

Жидкость, сжатая в цилиндре 83 поршнем 82, перед тем, как поступить потребителю, по линии нагнетания 86 поступает сначала в рубашки охлаждения 80 и 81 цилиндров 25 и 26, а затем в рубашку охлаждения 51 цилиндра 2. Нагретая теплотой, отнятой от сжимаемого в цилиндрах 25 и 26 газа, а затем дополнительно подогретая в рубашке 51 теплотой, выделившейся при горении топлива, жидкость, перед тем, как поступить к потребителю, охлаждается в теплообменнике 87.

Во всех предложенных вариантах поршневых энергетических машин объемного действия с уравновешенным приводом уравновешивание сил инерции неравномерного движения основного или основных поршней достигается за счет использования дополнительных поршней, двигающихся в противофазе с основным или основными поршнями. При той же суммарной массе, что и у известных технических решений с противовесами, предложенное техническое решение позволяет кратно увеличить производительность машины и, тем самым, существенно повысить ее удельную мощность за счет увеличения отношения ее производительности к ее массе.

Таким образом, следует считать, что поставленная техническая задача полностью выполнена.

1. Поршневая комбинированная энергетическая машина объемного действия, содержащая по крайней мере один рабочий цилиндр с газораспределительными органами и размещенный в нем рабочий поршень с направляющим приводным кривошипно-ползунным механизмом, закрепленным на поршне и выполненным в виде пластины с пазом, перпендикулярным оси рабочего цилиндра, причем в пазу установлены приводные эксцентрики с ведущими пальцами, находящиеся в противофазе друг относительно друга и соединенные с приводными валами, имеющими противовесы, отличающаяся тем, что противовесы выполнены в виде по крайней мере двух дополнительных поршней с дополнительными цилиндрами, оси которых параллельны оси рабочего цилиндра и расположены с обеих сторон от рабочего цилиндра, причем эти поршни соединены с пластиной через механические передачи.

2. Поршневая комбинированная энергетическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что механические передачи выполнены в виде реечного зацепления.

3. Поршневая комбинированная энергетическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что механические передачи выполнены в виде гибких ремней или цепей, один конец которых закреплен на пластине, а другой - на подпружиненных дополнительных поршнях.

4. Поршневая комбинированная энергетическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительные цилиндры имеют всасывающие и нагнетательные клапаны, причем всасывающие клапаны соединены с источником жидкости, а нагнетательные - с рубашкой охлаждения, расположенной вокруг рабочего цилиндра.

5. Поршневая комбинированная энергетическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что основной цилиндр содержит впускной и выпускной клапаны и через форсунку соединен с топливным насосом высокого давления, а дополнительные цилиндры снабжены всасывающими и нагнетательными клапанами, причем нагнетательные клапаны соединены с впускным клапаном рабочего цилиндра, всасывающие клапаны соединены с атмосферой, и все упомянутые выше клапаны имеют привод от распределительного вала с кулачками, взаимодействующими со стержнями клапанов при вращении распределительного вала, которое он получает через механическую передачу от одного из приводных валов, соединенных друг с другом через зубчатую передачу.

6. Поршневая комбинированная энергетическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что основной и дополнительные цилиндры снабжены свечами зажигания, подключенными к системе зажигания, впускными и выпускными клапанами, стержни которых взаимодействуют с кулачками распределительного вала, соединенного через механическую передачу с одним из приводных валов, причем впускные клапаны соединены с впускным трубопроводом, а приводные валы соединены друг с другом с помощью зубчатой передачи.

7. Поршневая комбинированная энергетическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что основной цилиндр выполнен в виде цилиндра двигателя внутреннего сгорания и соединен с источником топлива через впускной подпружиненный клапан или через топливную форсунку, к которой топливо подается от топливного насоса высокого давления, и с атмосферой с помощью впускного и выпускного подпружиненных клапанов, контактирующих с кулачками распределительного вала, соединенного через механическую передачу с одним из приводных валов, причем соосно с основным цилиндром на пластине с пазом закреплен поршень или плунжер, размещенный в гидравлическом цилиндре, соединенном через самодействующие жидкостные клапаны с источником и потребителем жидкости, дополнительные цилиндры соединены через самодействующие клапаны с источником и потребителем газа, а линия нагнетания гидравлического цилиндра, начинающаяся за жидкостным нагнетательным клапаном, соединена с рубашками жидкостного охлаждения дополнительных цилиндров и основного цилиндра.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к поршневым компрессорам для использования в нефтяной и газовой промышленности с клапаном синхронизации. Поршневой компрессор 100 имеет камеру 110, клапан 150 синхронизации, исполнительный механизм 160 и контроллер 170.

Изобретение относится к устройствам и способам приведения в действие клапанов, используемых в поршневых компрессорах, в нефтяной и газовой промышленности. Клапанный узел 400 содержит исполнительный механизм 410, выполненный с возможностью обеспечения перемещения.

Изобретение относится к области машин объемного действия поршневого типа. Способ заключается в том, что при возвратно-поступательном движении поршня происходит всасывание, сжатие и нагнетание газа потребителю с одновременным сжатием смазочно-охлаждающей жидкости в картере машины при ходе поршня вниз и ее подача в зазор между поршнем и цилиндром через питающие круговые щели в цилиндре и в сам цилиндр в конце хода всасывания и начале хода сжатия.

Изобретение относится к области машин объемного действия и может быть использовано при создании поршневых компрессоров, работающих за счет изменения объема рабочей полости.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям поршневых компрессоров. .

Изобретение относится к машиностроению и применяется для выработки сжатого воздуха. .

Изобретение относится к поршневым энергетическим машинам объемного действия и может быть использовано при создании безвибрационных компрессоров, насосов, двигателей внутреннего сгорания, а также гибридных машин - насос-компрессоров и мотор - насос-компрессоров. Машина состоит из корпуса 1, в котором размещены газовые цилиндры 2 и 3 с рабочими поршнями 8 и 9 и с самодействующими всасывающими 4 и 5 и нагнетательными 5 и 6 клапанами. Через штоки 10 и 11 рабочие поршни 8 и 9 соединены с кривошипно-ползунным механизмом 12, который преобразует синхронное и противоположно направленное вращательное движение валов 19 и 20 в возвратно-поступательное движение поршней 8 и 9. С помощью реечного зацепления это движение передается дополнительным поршням 23 и 24, которые в цилиндрах 25 и 26 сжимают и подают жидкость сначала в рубашки охлаждения 51 и 52 цилиндров 2 и 3, а затем потребителю. Цилиндры 25 и 26 снабжены самодействующими всасывающими 35 и 36 и нагнетательными 37 и 38 клапанами. Дополнительные поршни 23 и 24 выполняют функции противовесов, полностью компенсирующих силы инерции движения поршней 8 и 9 с механизмом 12. Повышается удельная мощность машины за счет увеличения отношения мощности к массе машины. Уравновешивание сил инерции неравномерного движения основного или основных поршней достигается за счет использования дополнительных поршней, двигающихся в противофазе с основным или основными поршнями. Увеличивается производительность машины. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

Наверх