Поршнева машина

Изобретение относится к области поршневого машиностроения и может найти практическое применение при разработке новых поршневых машин с низким числом оборотов на малом газе и максимальном режиме, которые имеют расположение цилиндро-поршневой группы параллельно оси вала двигателя, а также позволяют за один оборот вала вырабатывать полезную работу во все х цилиндрах не менее одного раза. Известен двигатель внутреннего сгорания в виде свободнопоршневого двигателя с приводом от коленчатого вала через эллипсообразную траверсу. Поршневой двигатель характеризуется комбинацией следующих признаков: двумя противоположными цилиндрами; двумя поршнями на общем штоке, которые за время двойного хода обеспечивают получение точно одного оборота коленчатого вала; одной траверсой, которая установлена точно в середине между обоими поршнями, ее внутреннее Отверстие имеет форму эллипса, который расположен таким образом, что его ось отклонена на 90° от направления движения поршня; одной опорой шейки коленчатого вала, которая вращается в эллипсе, эта опора передает усилие, создаваемое поршнем, коленчатому валу: одним упорным подшипником, который и принимает на себя опору траверснопоршневого устройства; двумя щеками коленчатого вала, между которыми неподвижно установлена по меньшей мере одна опора шейки коленчатого вала. Роль направляющей для щек играет по меньшей мере одна траверса (см. заявку ФРГ № OS 3447115, F 01 В 9/02, F 02 В 75/24, Изобретения стран мира № 4,1986 г., вып уск 85), Существенные недостатки известного поршневого двигателя состоят в: - сложности конструкции, которая заключается в том, что общий шатун для двух поршней изготовлен совместно с траверсой, которая имеет посередине отверстие в форме эллипса, что требует тщательной центровки двух цилиндров, лежащих на одной оси; -траверса движется в упорном подшипнике скольжения, что приводит к увеличению потерь мощности на трение, а это увеличивает удельный расход топлива и износ деталей двигателя; - все цилиндры только за два оборота коленчатого вала один раз вырабатывают полезную работу, а поэтому для получения заданной мощности двигатель должен иметь высокие числа оборотов на максимальном режиме, что снижает срок его эксплуатации и надежность. Известна поршневая возвратно-поступательная машина или двигатель, в которой устройство, содержащее поршни с входным или выходным валом, содержит один или оба цилиндрических элемента, вращающи хся в отверстии элемента, жестко соединенного с поршнем. В элементы входит палец кривошипа, жестко соединенного с поршнем. В элементы входит палец кривошипа, эксцентриситет которого равен радиусу кривошипа. Элементы вращаются в направлении, противоположном направлению вращения коленчатого вала. Два параллельных коленчатых вала соединены со стержнем, соединяющим два сцентрированных поршня. Надежное соединение между шейками коленчатых валов и элементом обеспечивает предотвращение остановки поршней в средней точке хода. Коленчатые валы оснащены противовесами, уравновешивающими боковые силы инерции. Двигатель может быть дизелем с непосредственным впрыском или сжатием в целях продувки воздуха под поршнем (см. заявку Великобритании № 2163484, F 01 В 9/02, Изобретения стран мира № 10, 1987 г., вып уск 88). Существенные недостатки известной поршневой машины состоят в: - сложности конструкции, которая заключается в том, что разветвленный стержень изготовлен за одно целое с двумя поршнями, что значительно усложняет эксплуатацию машины и ее сборку; - машина имеет два коленчатых вала, каждый со своими противовесами для устранения центробежных сил инерции, а также опорами, что делает конструкцию сложной, увеличивает вес и потери мощности на трение; - машина имеет самый большой недостаток в том, что за два оборота коленчатых валов все цилиндровые группы один раз вырабатывают полезную работу, следовательно для получения заданной мощности коленчатые валы должны вращаться с большим числом оборотов, что в значительной степени снижает срок ее эксплуатации и надежность. Эти существенные недостатки не дают возможности упростить конструкцию, ликвидировать силы инерции, а также решить основную задачу - значительно снизить число оборотов вала на максимальном режиме при сохранении заданной мощности машины. Известна поршневая машина, выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, в торцах которого расположены блоки цилиндров с поршнями, приводной вал и механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Полая втулка с продольными пазами установлена концентрично приводному валу и жестко закреплена на блоках цилиндров. На внутренней поверхности корпуса выполнена криволинейная направляющая. В пазах установлены ролики. Блоки цилиндров жестко связаны с валом. Ролики перемещаются вдоль направляющей, побуждая кинематически соединенные с ними штоки, а следовтательно и поршни совершают возвратно-поступательное движение относительно блоков цилиндров (см. авт., св. СССР, F 01 В 3/04 № 1325170, Изобретения стран мира N? 11, 1987 г., вып. 88). Существенные недостатки известной поршневой машины состоят в том, что: - блоки цилиндров жестко соединены с валом двигателя и вращаются совместно с ним, что приводит к большим потерям мощности на трение блоков цилиндров и роликов штоков о корпус машины, что усложняет конструкцию; - поршни соединены единым штоком и вращаются вместе с цилиндрами, что приводит к возникновению больших центробежных сил от массы поршней, а это ведет к увеличению потерь мощности на трение поршня о цилиндр, а также к повышенному износу цилиндрово-поршневой группы и сокращает срок службы машины и ее надежность; - все цилиндры машины только за два оборота коленчатого вала один раз вырабатывают полезную работу, а поэтому для получения заданной мощности машина должна иметь большое число оборотов, что значительно снижает срок эксплуатации машины и ее надежность. Эти существенные недостатки не дают возможности упростить конструкцию машины и исключить центробежные силы, а также решить основную задачу - значительно снизить число оборотов как на малом газу, так и максимальном режиме, при сохранении заданной мощности, что значительно снижает срок эксплуатации машины и ее надежность. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования поршневой машины, в которой путем введения маховика с равномерно расположенными по окружности с двух сторон профилированных кулачков обеспечивается уменьшение числа оборотов машины на малом газе и максимальном режиме при сохранении заданной мощности, исключаются инерционные силы, осевые усилия, уменьшаются силы трения, упрощается технология изготовления основного вала и за счет этого упрощается конструкция, а также повышается надежность и срок эксплуатации машины. Поставленная задача решается тем, что поршневая машина, содержащая корпус, в торцах которого расположены блоки цилиндров с поршнями, приводной вал и механизм преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, что блоки цилиндров с поршнями размещены по окружности вокруг оси вращения вала справа и слева от корпуса-картера, а машина дополнительно снабжена маховиком, с двух сторон которого основаниями друг к другу на периферии окружности равномерно расположено не менее двух идентичных профилированных кулачков с каждой стороны, шариковым подшипником с осью вращения, возвратной пружины поршня, а шатун выполнен со специальной нижней головкой, на которой смонтированы шариковый подшипник и возвратная пружина поршня, при этом на стенках цилиндра со Стороны шарикового подшипника выполнены вырезы, а на оставшихся стенках выполнены направляющие канавки для осуществления возвратно-поступательного движения шарикового подшипника. 1. Размещение цилиндровопоршневых гр упп по окружности вокруг оси вращения вала машины справа и слева от корпуса-картера позволяет: а) повысить мощность машины за счет одновременного получения полезной работы сразу в нескольких цилиндрах, лежащих на одной оси справа и слева; б) исключить осевые усилия на подшипники основного вала машины за счет того, что поршневые группы, лежащие на одной оси, вырабатывают полезную работу одновременно. 2. Введение в машину маховика, с двух сторон которого основаниями друг к другу, на периферии окружности через 180° расположено не менее двух профилированных идентичных кулачков с каждой стороны, позволяет: а) за счет сил инерции массы маховика поршневая машина будет плавно преодолевать ВМТ и Н МТ; б) за один оборот вала машины получить в каждом цилиндре один раз полезную работу, а при четырех кулачках, расположенных через 90°, за один оборот вала машины получить в каждом цилиндре два раза полезную работу и т.д.; в) такая периодичноеть получения полезной работы всех цилиндров за один оборот вала машины, при заданной максимальной мощности, позволяет в два, четыре и т.д. раза снизить число оборотов машины на малом газе и максимальном режиме, что позволит значительно повысить надежность и срок эксплуатации машины. 3. Введение в машину шарикового подшипника с осью вращения, возвратной пружины поршня и шатуна со специальной головкой позволяет: а)уменьшить потери на трение кулачков маховика о шариковый подшипник; б) осуществи ть возвращение поршня из ВМТ и НМТ при всасывании рабочей смеси; в) исключить жесткую связь шатунно-поршневой группы с основным валом машины, 4. Изготовление специальных вырезов в гильзе цилиндра со стороны шарикового подшипника, а также направляющих канавок в оставшихся стенках гильзы позволяет: а) обеспечить возвратно-поступательное движение поршня посредством кулачков маховика, шарикового подшипника и возвратной пружины, что достигается изготовлением специальных вырезов; б) исключить вращение шарикового подшипника и поршня вокруг оси поршня, за счет изготовления направляющих канавок. На фиг. 1 изображен общий вид поршневой машины; на фиг. 2 - вид по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид по ББ на фиг. 1 - схема газораспределения за один оборот вала машины при наличии четырех кулачков на маховике; на фиг. 4 - вид цилиндровопоршневой группы, повернутой на 90° относительно фиг. 1; на фиг. 5 вид по В-В на фиг. 4. Поршневая машина включает основной вёл 1, шариковый подшипник 2, гайку 3, коллектор 4 отвода охлаждающей жидкости, гильзу цилиндра 5, рубашку охлаждения б, патрубок 7 выхлопа, клапан 8 выхлопа, клапан 9 впуска, крышку 10 клапанов 8 и 9, патрубок 11 всасывания, головку блока 12, коллектор 13 подвода охлаждающей жидкости, поршень 14, силовую стенку 15, возвратную пружину 16 поршня 14, маховик 17, корпус-картер 18, профилированный кулачок 19; шатун 20, поршневой палец 21, запальную свечу 22, ось вращения 23 шарикового подшипника 2, подшипник 24 основного вала 1, узлы крепления 25 поршневой машины к раме (на фиг. 2 не показаны), специальную нижнюю головку 26 шатуна 20, камеру 27 сгорания. Силовую часть поршневой машины составляют корпус-картер 18 с двумя основаниями 15 и узлы крепления 25 поршневой машины к раме (на фиг. 2 не показаны). На основаниях 15 посредством двух подшипников 24 смонтирован основной вал 1, на котором закреплен маховик 17 с профилированными кулачками 19, которые расположены с двух сторон основаниями друг к другу. На основаниях 15 также смонтированы цилиндровопаршневые группы, включающие в себя: головку блока 12, гильзу цилиндра S с гайкой 3, рубашку охлаждения б, поршень 14 с пальцем 21, шатун 20 со специальной нижней головкой 26, шариковый подшипник 2 с осью вращения 23. возвратную пружину 16 поршня 14 из ВМТ в Н МТ при всасывании рабочей смеси, клапан 8 выхлопа, клапан 9 всасывания, крышку клапанов 10 и свечу 22. На головке блока 12 смонтированы коллектор 13 подвода охлаждающей жидкости к рубашке охлаждения 6, коллектор 4 отвода охлаждающей жидкости из рубашки охлаждения б, патрубок 11 всасывания рабочей смеси в камеру 27 при движении поршня из ВМТ в Н МТ, патрубок 7 выхлопа отработанных газов из камеры сгорания 27 при движении поршня 14 из НМТ в ВМТ. Поршневая машина работает следующим образом. При вращении основного вала 1 с маховиком 17 и профилированными кулачками 19, который смонтирован на подшипниках 24 силовой стенки 15, связанных с корпусом-картером 18, при этом шариковый подшипник 2 сходит с вершины профилированного кулачка 19 и поршень 14 совместно с шатуном 20 со специальной нижней головкой 26 начинает двигаться из ВМТ в НМТ с помощью возвратной пружины 16, что соответствует на фиг. 3, после 360° (0°). Всасывающий клапан 8 обычно открывается не доходя до ВМТ и свежая топливовоздушная смесь через всасывающий патрубок 11 начинает поступать в камеру сгорания 27, пройдя ВМТ выхлопной клапан 8 закрывается. Время, когда одновременно открыты впускной клапан 9 и выхлопной клапан 8 называют перекрытием клапанов и оно необходимо для увеличения весового заряда (см. фиг. 3, заштрихованная область). При достижении поршнем 14 НМТ вп ускной клапан 9 некоторое время остается открытым, что также увеличивает весовой заряд. Положение поршня 14 в НМТ соответствует повороту основного вала 1 на угол 45° при наличии четырех профилированных кулачков 19, а на маховике 17 это положение между профилированными кулачками 19. При дальнейшем вращении основного вала 1 с маховиком 17 и профилированными кулачками 19 шариковый подшипник 2 набегает на следующий профилированный кулачок 19 и поршень 14 с шатуном 20 со специальной нижней головкой 26 начинает двигаться из НМТ в ВМТ, при этом сжимает возвратную пружину 16, начинается процесс сжатия. Впускной клапан 9 закрывается, пройдя НМТ, что также увеличивает весовой заряд, так как свежая смесь продолжает поступать в камеру сгорания 27 по инерции. Не доходя до ВМТ, с помощью свечи 22, подается искра в камеру сгорания 27, топливовоздушная смесь воспламеняется и давление газов в камере сгорания 27 начинает повышаться. Положение поршня 14 при угле 90° соответствует ВМТ. После 90°, пройдя ВМТ, давление газов достигает максимального значения в камере сгорания 27, за счет этого давления поршень 14 совместно с шатуном 20 со специальной головкой 26 и шариковым подшипником 2 начинает двигаться от ВМТ к НМТ, при этом шариковый подшипник 2 давит на профилированный кулачок 19 маховика 17, который связан с основным валом 1, передавая на него полезную работу, а от него к потребителю (на фиг. 1 не показано). При движении поршня 14 от ВМТ к НМТ возвратная пружина 16 разжимается, возвращая полезную работу на основной вал 1. Не доходя до НМТ выхлопной клапан 8 открывается и отработанные газы за счет высокого давления начинают покидать камеру сгорания 27. выходя в атмосфер у через патрубок выхлопа 7. Положение НМТ по углу поворота основного вала 1 соответствует 135° (см. фиг. 3). При движении поршня 14 от НМТ к ВМТ начинается принудительное выталкивание отработанных газов в атмосферу, при этом возвратная пружина 16 сжимается. При приближении к ВМТ впускной клапан 9 открывается и полный цикл поршневой машины при угле поворота основного вала 1 на 180° завершается. При дальнейшем вращении основного вала 1 от 180° до 360° (0°) рабочий цикл повторяется, как описано выше. Следовательно, при наличии четырех профилированных кулачков 19 на маховике 17 за один оборот основного вала 1 дважды осуществляется рабочий цикл во всех цилиндрах, а поэтому при одинаковой мощности поршневой машины с аналогами и прототипом ее обороты уменьшаются в четыре раза. Для поддержания допустимого теплового режима двигателя постоянно циркулирует охлаждающая жидкость, которая подается через коллектор 13 в рубашку охлаждения 6, снимает тепло с гильзы цилиндра 5 и головки болта 12 и через коллектор 4 отвода выходит β систему охлаждения (на фиг. 1 не показана). Преимущества предлагаемой машины перед аналогами и прототипом состоят в том, что: 1) при наличии четырех профилированных кулачков на маховике за один оборот основного вала осуществляется дважды рабочий цикл во всех цилиндрах, что позволяет в четыре раза уменьшить число оборотов поршневой машины при одинаковой мощности с аналогами и прототипом и тем самым повысить надежность и увеличить ресурс машины; 2) исключить полностью инерционные силы, так как машина полностью уравновешена; 3) исключаются осевые усилия по причине одновременной работы цилиндровопоршневых групп, лежащих на одной оси; 4)уменьшаются силы трения ввиду того, что используются подшипники качения вместо скольжения; 5} значительно упрощается технология изготовления основного вала; 6) упрощается замена цилиндровопоршневой группы; 7) шатунно-поршневые группы не связаны жестко с основным валом двигателя; 8) постановка маховика позволяет свободно проходить ВМТ и Н МТ за счет его сил инерции.