RU2246008C1 - Piston machine - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: according to invention, piston machine contains cylinder, linear, piston and output shaft. Circular crossmember with inner and outer running rollers is installed on piston. Inner rollers are located in curvilinear closed slot made on surface of output shaft, and outer rollers are located in curvilinear closed slot made in inner surface of cylinder.

EFFECT: improved performance of piston machine, simplified design, reduced inner losses and increased efficiency.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, к насосо- и компрессоростроению, и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания (ДВС) - источника механической энергии для транспортных машин и других мобильных и стационарных потребителей, а также насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства, и детандера - устройства для редукции давления рабочего тела и производства механической работы.The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to engine manufacturing, to pump and compressor engineering, and can be used as an internal combustion engine (ICE) - a source of mechanical energy for transport vehicles and other mobile and stationary consumers, as well as a pump or compressor to create overpressure of the working fluid and transportation (pumping) of gases, liquids, mixtures, suspensions, suspensions and other agents in various industries and economies, and an expander - devices for induction pressure working fluid and produce mechanical work.

Известны бесшатунные и бескривошипные поршневые тепловые машины, например ДВС Баландина, поршневая машина Лапидуса.Known rodless and crankless piston heat engines, such as ICE Balandin, piston machine Lapidus.

ДВС Баландина (см.: Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1972) содержит корпус, цилиндры, штоки, попарно жестко связанные с поршнями и шарнирно - с соединительными звеньями, коленчатый вал. В двигателе Баландина преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращение коленчатого вала происходит посредством соединительных звеньев.ICE Balandina (see: Balandin S.S. Rodless internal combustion engines. - M .: Mashinostroenie, 1972) contains a housing, cylinders, rods, pairwise rigidly connected with pistons and pivotally - with connecting links, a crankshaft. In the Balandin engine, the conversion of the reciprocating motion of the pistons into the rotation of the crankshaft takes place via connecting links.

Поршневая машина Лапидуса (А.С. № 1038487, F 01 В 9/08, опубл. 1983) содержит корпус, цилиндры, поршни и выходной вал, связанный с цилиндрами посредством рычагов обгонных муфт, установленных на валу внутри поршней попарно в “противоход” друг другу.The Lapidus piston machine (AS No. 1038487, F 01 B 9/08, publ. 1983) comprises a housing, cylinders, pistons and an output shaft connected to the cylinders by means of overrunning clutch levers mounted on the shaft inside the pistons in pairs in the “counter” each other.

Наиболее близкой к предлагаемой поршневой машине является конструкция бескривошипного ДВС по патенту РФ № 2156871 С1, МПК 7 F 01 В 9/06, F 02 В 75/26. Этот бескривошипный двигатель содержит цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с криволинейным бесконечным пазом, выполненным на наружной поверхности поршня; на выходном валу установлена предварительно сжатая пружина, один конец которой опирается на буртик выходного вала, а другой - на нижний торец юбки поршня, что ведет к уменьшению средних удельных давлений в сочленении “тело вращения - криволинейный паз”.Closest to the proposed piston machine is the design of a crankless ICE according to the patent of the Russian Federation No. 2156871 C1, IPC 7 F 01 B 9/06, F 02 B 75/26. This crankless engine contains a cylinder, a sleeve and a piston connected to the cylinder by means of bodies of revolution included in the joint with a curved endless groove made on the outer surface of the piston; a precompressed spring is installed on the output shaft, one end of which rests on the shoulder of the output shaft, and the other on the lower end of the piston skirt, which leads to a decrease in average specific pressures in the joint “body of revolution - curved groove”.

Основными недостатками такого бескривошипного ДВС являются:The main disadvantages of such a crankless ICE are:

- повышенная работа трения из-за высокой скорости вращения поршня, которая равна скорости вращения выходного вала, относительно своей продольной оси, что увеличивает механические потери и уменьшает общий (эффективный) КПД двигателя;- increased friction due to the high speed of the piston, which is equal to the speed of rotation of the output shaft relative to its longitudinal axis, which increases mechanical losses and reduces the overall (effective) engine efficiency;

- необходимость установки между поршнем и выходным валом предварительно сжатой пружины, что приводит к увеличению затрат мощности на преодоление усилия пружины и ведет к ухудшению показателей работы двигателя;- the need to install between the piston and the output shaft of the pre-compressed spring, which leads to an increase in power costs to overcome the efforts of the spring and leads to a deterioration in engine performance;

- усложнение конструкции двигателя, увеличение трудоемкости и ухудшение технологичности процессов монтажа и сборки основных деталей, а также ограничение возможностей его быстрого, легкого и надежного пуска.- complication of the engine design, increasing the complexity and deterioration of the technological processes of installation and assembly of the main parts, as well as limiting the possibilities of its quick, easy and reliable start-up.

В основу изобретения положено решение задачи улучшения технико-экономических показателей двигателя: упрощение конструкции, уменьшение внутренних потерь, повышение КПД.The basis of the invention is the solution to the problem of improving the technical and economic indicators of the engine: simplifying the design, reducing internal losses, increasing efficiency.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в предлагаемой поршневой машине, содержащей цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с пазом, согласно изобретению на поршне установлена кольцевая траверса с внутренними и наружными беговыми роликами, при этом внутренние ролики расположены в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, а наружные ролики - в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на внутренней поверхности цилиндра.The solution of the technical problem is achieved by the fact that in the proposed piston machine containing a cylinder, a sleeve and a piston connected to the cylinder by means of rotation bodies included in the joint with the groove, according to the invention, an annular traverse with internal and external running rollers is mounted on the piston, while the inner rollers are located in a curved closed groove made on the surface of the output shaft, and the outer rollers in a curved closed groove made on the inner surface of the cylinder.

Главными отличительными особенностями такой поршневой машины являются следующие:The main distinguishing features of such a piston machine are the following:

- на поршне установлена кольцевая траверса, на которой, в свою очередь, установлены внутренние беговые ролики, расположенные в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, и наружные беговые ролики, расположенные в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на внутренней поверхности цилиндра, вследствие чего из-за редукции скорости вращения поршня по отношению к скорости вращения выходного вала уменьшается работа трения, что уменьшает механические потери, а также увеличивает механический и повышает общий (эффективный) КПД двигателя,- an annular traverse is mounted on the piston, on which, in turn, internal running rollers are installed located in a curved closed groove made on the surface of the output shaft and external running rollers located in a curved closed groove made on the inner surface of the cylinder, as a result of which due to the reduction of the piston rotation speed relative to the output shaft rotation speed, the friction work decreases, which reduces mechanical losses, and also increases mechanical and increases the overall (ef injective) engine efficiency,

- криволинейные замкнутые пазы, в которых расположены установленные на траверсе внутренние и наружные беговые ролики, выполнены как на поверхности выходного вала, так и на внутренней поверхности цилиндра, что упрощает конструкцию двигателя, уменьшает трудоемкость и улучшает технологичность процессов монтажа и сборки его основных деталей, ведет к уменьшению затрат мощности на преодоление внутренних сопротивлений и к улучшению показателей работы двигателя.- curved closed grooves in which the inner and outer running rollers are mounted on the traverse are made both on the surface of the output shaft and on the inner surface of the cylinder, which simplifies the design of the engine, reduces the complexity and improves the manufacturability of the processes of installation and assembly of its main parts, leads to reduce power costs to overcome internal resistance and to improve engine performance.

Сущность изобретения (на примере двухтактного ДВС) поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг.1 - продольный разрез поршневой машины; на фиг.2 - поперечный разрез поршневой машины; на фиг.3 - схема перемещения оси беговых роликов траверсы в криволинейных замкнутых пазах выходного вала и цилиндра поршневой машины при движении поршня из внутреннего (по отношению к камере сжатия и сгорания) крайнего положения в наружное; на фиг.4 - схема перемещения оси беговых роликов траверсы в криволинейных замкнутых пазах выходного вала и цилиндра поршневой машины при движении поршня из наружного крайнего положения во внутреннее.The invention (on the example of a two-stroke ICE) is illustrated by drawings, which show: in Fig.1 - a longitudinal section of a piston machine; figure 2 is a cross section of a piston machine; figure 3 is a diagram of the displacement of the axis of the running rollers of the traverse in a curved closed grooves of the output shaft and cylinder of the piston machine when the piston moves from the inner (with respect to the compression and combustion chamber) extreme position to the outer one; figure 4 is a diagram of the displacement of the axis of the running rollers of the traverse in a curved closed grooves of the output shaft and cylinder of the piston machine when the piston moves from the outer extreme position to the inner one.

Поршневая машина (фиг.1, 2) содержит цилиндр 1 с гильзой 2, в которой расположен поршень 3; на поршне установлена кольцевая траверса 4 с внутренними 5 и наружными 6 беговыми роликами, при этом внутренние ролики расположены в криволинейном замкнутом пазу 7, выполненном на поверхности выходного вала 8, а наружные ролики - в криволинейном замкнутом пазу 9, выполненном на внутренней поверхности цилиндра.The piston machine (figure 1, 2) contains a cylinder 1 with a sleeve 2, in which the piston 3 is located; an annular traverse 4 with inner 5 and outer 6 running rollers is mounted on the piston, while the inner rollers are located in a curved closed groove 7 made on the surface of the output shaft 8, and the outer rollers in a curved closed groove 9 made on the inner surface of the cylinder.

Принцип действия поршневой машины поясняется на примере двухтактного поршневого ДВС (фиг.1-4). В процессе сгорания и расширения газы (рабочее тело), находящиеся в цилиндре, побуждают поршень 3 к перемещению из внутреннего (относительно камеры сжатия и сгорания) крайнего положения в наружное (фиг.3). Внутренние беговые ролики 5 и наружные беговые ролики 6 траверсы 4, установленные (в рассматриваемом примере) на одной оси, перемещаются соответственно в криволинейном замкнутом пазу 7, выполненном на поверхности выходного вала 8 (кривая “В” на фиг.3), и в криволинейном замкнутом пазу 9, выполненном на внутренней поверхности цилиндра (кривая “К” на фиг.3). Вследствие силового взаимодействия беговых роликов и криволинейных пазов наряду с осевым перемещением поршня происходит угловое (относительно оси цилиндра) перемещение выходного вала по отношению к поршню и поршня по отношению к неподвижному цилиндру, но с иной угловой скоростью, чем угловая скорость выходного вала. При этом различие в скоростях вращения поршня и выходного вала определяется соотношением числа периодов (“волн”) криволинейных пазов, выполненных на выходном валу и на поверхности цилиндра поршневой машины. Вблизи наружного крайнего положения посредством последовательного открытия поршнем 3 выпускного Вып и продувочного Прод, а затем последовательного закрытия продувочного Прод и выпускного Вып окон гильзы 2 цилиндра 1 осуществляется процесс газообмена. В ходе дальнейшего движения поршня 3 (из наружного крайнего положения во внутреннее - фиг.4) происходит процесс сжатия свежего заряда, в конце которого начинается процесс сгорания. Внутренние 5 и наружные 6 беговые ролики траверсы 4 перемещаются соответственно в криволинейных пазах 7 (кривая “В” на фиг.4) и 8 (кривая “К” на фиг.4), обеспечивая посредством силового взаимодействия с этими пазами наряду с осевым перемещением поршня в обратном направлении непрерывность углового (относительно оси цилиндра) перемещения выходного вала по отношению к поршню и поршня по отношению к неподвижному цилиндру с тем же самым различием в скоростях вращения поршня и выходного вала, определяемым соотношением числа периодов (“волн”) указанных криволинейных пазов. При этом перемещение поршней из наружных крайних положений во внутренние обеспечивается за счет энергии маховых масс (или работы других цилиндров) поршневой машины.The principle of operation of the piston machine is illustrated by the example of a two-stroke piston internal combustion engine (Figs. 1-4). In the process of combustion and expansion, the gases (working medium) located in the cylinder cause the piston 3 to move from the internal (relative to the compression and combustion chamber) end position to the outside (Fig. 3). The inner running rollers 5 and the outer running rollers 6 of the traverse 4, mounted (in the considered example) on the same axis, move respectively in a curved closed groove 7, made on the surface of the output shaft 8 (curve “B” in figure 3), and in a curved closed groove 9, made on the inner surface of the cylinder (curve “K” in figure 3). Due to the force interaction of the running rollers and curved grooves, along with the axial movement of the piston, the output shaft is angular (relative to the cylinder axis) with respect to the piston and the piston with respect to the stationary cylinder, but with a different angular velocity than the angular speed of the output shaft. The difference in the speeds of rotation of the piston and the output shaft is determined by the ratio of the number of periods (“waves”) of curved grooves made on the output shaft and on the cylinder surface of the piston machine. Near the outer extreme position, the gas exchange process is carried out by sequentially opening the exhaust outlet and the purge Prod by the piston 3 and then sequentially closing the purge Prod and the exhaust outlet of the windows of the sleeve 2 of the cylinder 1. In the course of further movement of the piston 3 (from the outer extreme position to the inner one - FIG. 4), a process of compression of the fresh charge occurs, at the end of which the combustion process begins. The inner 5 and outer 6 running rollers of the traverse 4 are moved respectively in curved grooves 7 (curve “B” in figure 4) and 8 (curve “K” in figure 4), providing, by means of force interaction with these grooves, along with the axial movement of the piston in the opposite direction, the continuity of the angular (relative to the axis of the cylinder) displacement of the output shaft with respect to the piston and the piston with respect to the fixed cylinder with the same difference in the speeds of rotation of the piston and the output shaft, determined by the ratio of the number of periods (“waves”) associated curved grooves. In this case, the movement of the pistons from the outer extreme to the inner position is ensured by the energy of the flywheel masses (or the work of other cylinders) of the piston machine.

Представленная схема поршневой машины обеспечивает следующие технические преимущества:The presented scheme of the piston machine provides the following technical advantages:

- пониженная работа трения вследствие редукции скорости вращения поршня по отношению к скорости вращения выходного вала, что уменьшает механические потери, а также увеличивает механический и повышает общий (эффективный) КПД двигателя;- reduced friction due to a reduction in the piston rotation speed relative to the output shaft rotation speed, which reduces mechanical losses, and also increases mechanical and increases the overall (effective) engine efficiency;

- отсутствие необходимости в установке между поршнем и выходным валом предварительно сжатой пружины, что приводит к уменьшению затрат мощности на преодоление внутренних сопротивлений и к улучшению показателей работы двигателя;- the absence of the need to install between the piston and the output shaft of the pre-compressed spring, which leads to a reduction in power costs to overcome internal resistance and to improve engine performance;

- упрощение конструкции двигателя, уменьшение трудоемкости и улучшение технологичности процессов монтажа и сборки его основных деталей, а также существенное улучшение технико-экономических характеристик поршневой машины в целом.- simplifying the design of the engine, reducing the complexity and improving the manufacturability of the processes of installation and assembly of its main parts, as well as a significant improvement in the technical and economic characteristics of the piston machine as a whole.

Поршневая машина для преобразования энергии рабочего тела в механическую работу может быть использована в качестве ДВС для транспортных машин и других мобильных и стационарных потребителей, а также насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства, и детандера - устройства для редукции давления рабочего тела и производства механической работы.A piston machine for converting the energy of the working fluid into mechanical work can be used as an internal combustion engine for transport vehicles and other mobile and stationary consumers, as well as a pump or compressor to create excess pressure of the working fluid and transport (pumping) gases, liquids, mixtures, suspensions, suspensions and other agents in various industries and economies, and expander - devices for reducing the pressure of the working fluid and the production of mechanical work.

Claims (1)

Поршневая машина, содержащая цилиндр, гильзу и поршень, связанный с цилиндром при помощи тел вращения, входящих в сочленение с пазом, отличающаяся тем, что на поршне установлена кольцевая траверса с внутренними и наружными беговыми роликами, при этом внутренние ролики расположены в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на поверхности выходного вала, а наружные ролики - в криволинейном замкнутом пазу, выполненном на внутренней поверхности цилиндра.A piston machine comprising a cylinder, a sleeve and a piston connected to the cylinder by means of rotation bodies included in the joint with the groove, characterized in that the piston has an annular traverse with internal and external running rollers, while the internal rollers are located in a curved closed groove, made on the surface of the output shaft, and the outer rollers in a curved closed groove made on the inner surface of the cylinder.

Images