RU2053394C1

RU2053394C1 - Piston machine

Info

Publication number: RU2053394C1
Application number: RU92011764A
Authority: RU
Inventors: Н.М. Харлов; С.Н. Харлов
Original assignee: Харлов Николай Михайлович
Priority date: 1992-12-14
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1996-01-27

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: piston machine is provided with a cylinder. The cross- section of the cylinder is rectangular or bounded by two parallel straight lines conjugated with two arcs of a circumference. A piston is mounted in sleeve 2 of the cylinder. The piston is provided with piston rings, and the middle part of the cylinder is mounted on eccentric part of pin 7 using an opening. Washers 8 provided with pins terminate in shank-gears 9. The washers are mounted for permitting rotation in openings made in disks 11. Gears 11 engage fixed wheels 19 of inner engagement. One of the shanks terminate in a take-off shaft. The shanks are provided with recesses to balance the crankshaft, gears and piston. Faces of disks 11 and washers 8 are flush-mounted with the inner side of sleeve 2. EFFECT: enhanced efficiency. 8 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к поршневым машинам и может быть использовано при проектировании и изготовлении ДВС, пневмо- и гидродвигателей, компрессоров и насосов. The invention relates to piston machines and can be used in the design and manufacture of internal combustion engines, pneumatic and hydraulic motors, compressors and pumps.

Известна поршневая машина, содержащая корпус с цилиндром, вращающиеся кривошипные опоры с эксцентричными отверстиями и выемками, коленчатый вал с коренными и эксцентриковой шейками и щеками, 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 образование двух камер переменного объема и установленный на эксцентриковой шейке, выходной вал, жестко связанный с одной из кривошипных опор, и крышки цилиндров, причем коренные шейки размещены в эксцентричных отверстиях кривошипных опор с возможностью вращения. Known piston machine containing a housing with a cylinder, rotating crank bearings with eccentric holes and recesses, a crankshaft with main and eccentric necks and cheeks, fixed internal gears rigidly connected to the housing, gears mounted on the ends of the main necks and made with the possibility interactions with internal gears, a piston with annular grooves and piston rings placed in the cylinder with the formation of two chambers of variable volume and installed detecting in an eccentric neck, an output shaft, is rigidly associated with one of the crank bearings and cylinder cover, wherein the main journals are placed in eccentric openings crank rotatably supports.

Однако данная поршневая машина имеет значительные габариты из-за того, что цилиндры (их гильзы) размещены с обеих сторон кривошипных опор-дисков или за обоими крайними положениями (ВМТ, НМТ) эксцентриковых шеек коленвала, и машина обладает относительно небольшой удельной мощностью из-за невозможности создания балансировки коленчато-поршневой группы, в результате чего скорость вращения вала тоже относительно небольшая (не выше 3000 об/мин). However, this piston machine has significant dimensions due to the fact that the cylinders (their liners) are located on both sides of the crank support disks or behind both extreme positions (TDC, BDC) of the crankshaft eccentric journals, and the machine has a relatively small specific power due to the impossibility of creating balancing of the crank-piston group, as a result of which the shaft rotation speed is also relatively small (not higher than 3000 rpm).

Цель изобретения повышение компактности и удельной мощности машины. The purpose of the invention is to increase the compactness and power density of the machine.

Указанная цель достигается тем, что поршневая машина, содержащая корпус с цилиндром, вращающиеся кривошипные опоры с эксцентричными отверстиями и выемками, коленчатый вал с коренными и эксцентриковой шейками и щеками, 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 эксцентриковой шейке выходной вал, жестко связанный с одной из кривошипных опор, и крышки цилиндров, причем коренные шейки размещены в эксцентричных отверстиях кривошипных опор с возможностью вращения, и в поршневой машине сечение поршня выполнено прямоугольным или в виде фигуры, ограниченной двумя параллельными прямыми, сопряженными двумя дугами окружности, цилиндр выполнен в виде гильзы с двумя отверстиями, кривошипные опоры выполнены в виде дисков, установленных в отверстиях гильзы, щеки коленчатого вала выполнены в виде шайб и размещены в эксцентричных отверстиях, причем торцевые поверхности дисков и шайб выполнены заподлицо с внутренней поверхностью гильзы, а между отверстиями гильзы и дисками и между эксцентриковыми отверстиями и шайбами установлены уплотнительные элементы. This goal is achieved by the fact that a piston machine comprising a housing with a cylinder, rotating crank bearings with eccentric holes and recesses, a crankshaft with main and eccentric necks and cheeks, fixed internal gears rigidly connected to the housing, gears mounted on the ends of the main necks and made with the possibility of interaction with internal gears, a piston with annular grooves and piston rings placed in the cylinder with the formation of two chambers of variable volume and an output shaft mounted on an eccentric neck, rigidly connected to one of the crank bearings, and cylinder covers, the main necks being rotatably mounted in the eccentric holes of the crank bearings, and in the piston machine, the piston cross section is rectangular or in the form of a figure bounded by two parallel straight lines, conjugated by two circular arcs, the cylinder is made in the form of a sleeve with two holes, the crank supports are made in the form of disks installed in the holes of the sleeve, the knee cheeks atogo shaft are designed as washers and placed in eccentric openings, wherein the end surfaces of the discs and washers are flush with the inner surface of the sleeve and between the sleeve openings and the discs and between the eccentric hole and washers are installed sealing elements.

Благодаря тому, что торцы кривошипных опор-дисков служат поверхностью цилиндра, получается максимально компактная машина (с получением двух рабочих камер), в которой в сравнении с прототипом можно достигать значительной скорости вращения вала, практически по-лучается двухкамерная роторно-поршневая машина с эффективным поршнем (к примеру, в сравнении с ДВС Ванкеля). Due to the fact that the ends of the crank support disks serve as the surface of the cylinder, we get a very compact machine (with two working chambers), in which, in comparison with the prototype, a significant shaft rotation speed can be achieved, a two-chamber rotary piston machine with an effective piston is practically obtained (for example, in comparison with the Wankel ICE).

На фиг. 1 показана предлагаемая машина, разрез; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1 (при повернутом вале на 90^о относительно положения, показанного на фиг. 1); на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 показан поршень в сечении В-В на фиг. 1; на фиг. 5 сечение Г-Г на фиг. 4; на фиг. 6 сечение Д-Д на фиг. 4; на фиг. 7 показано поршневое кольцо; на фиг. 8 сечение Е-Е на фиг. 1; на фиг. 9 показан второй подвариант выполнения поршневой группы.In FIG. 1 shows the proposed machine, section; in FIG. 2, section AA in FIG. 1 (when rotated ^about the shaft 90 relative to the position shown in Figure 1.); in FIG. 3 section BB in FIG. 1; in FIG. 4 shows the piston in section BB in FIG. 1; in FIG. 5 section GG in FIG. 4; in FIG. 6 section DD in FIG. 4; in FIG. 7 shows a piston ring; in FIG. 8 section EE in FIG. 1; in FIG. 9 shows a second embodiment of the piston group.

Поршневая машина содержит корпус 1, в который запрессована гильза 2. В гильзе 2 установлен поршень, выполненный составным и пустотелым и состоящий из верхней части 3 и нижней части 4. Поршень в сечении выполнен в виде фигуры, ограниченной двумя параллельными прямыми, ограниченными двумя дугами окружностей (показанной на фиг. 2). Поршень (гильза) может быть выполнен прямоугольного сечения. Гильза 2 (корпус 1) закрыта крышками 5. Поршень (его половинки 3, 4 стянуты друг к другу болтами) своим поперечным центральным отверстием через вкладыши 6 установлен на эксцентриковой шейке 7. Шейка 7 с обеих сторон заканчивается шайбами 8, центр которых смещен относительно центра шейки 7 на R=S/4, где S ход поршня. Шейка 7, поршень (3, 4), вкладыш 6 уравновешены специальным сечением шайб 8, показанным на фиг. 1, 8. Шайбы 8 заканчиваются хвостовиками, на которых выполнены шестерни 9. Шейка 7, шайбы 8 и хвостовики образуют коленвал. Для уплотнения шайбы 8 оснащены уплотнительными кольцами 10. Шайбы 8 установлены с возможностью вращения в отверстиях, выполненных в кривошипных опорах-дисках 11. Возможна установка шайб 8 в этих отверстиях и на игольчатых подшипниках, что на чертежах не показано, так как это несущественно и осуществимо конструктивно легко. Смещение центров дисков 11 относительно центров шайб 8 тоже несущественно (R=S/4). Два диска 11 установлены через игольчатые (роликовые) подшипники 12 в наружных подшипниковых обоймах, жестко закрепленных в корпусе 1. Диски 11 расположены в отверстиях, выполненных в гильзе 2, по скользящей посадке, причем торцы дисков 11, шайб 8 расположены заподлицо с внутренними стенками гильзы 2. Для уплотнения дисков 11 они оснащены уплотнительными кольцами 14. Вместо колец 14 может быть выполнено лабиринтовое уплотнение. Диски 11 заканчиваются хвостовиками 15, в средней части которых выполнено сечение, показанное на фиг. 3, причем металла из хвостовиков 15 удалено столько, сколько необходимо для уравновешивания поршня, шейки 7, вкладышей 6, шестерен 9, т. е. необходимо провести динамическую балансировку вращающихся-двигающихся частей. Хвостовики 15 установлены через подшипники 16 в крышках 17, которые жестко закреплены на корпусе 1. Один из хвостовиков 15 заканчивается выходным валом 18 отбора мощности. Хвостовики 15 расположены внутри колес 19 внутреннего зацепления, которые жестко закреплены в корпусе 1 и с которыми находятся в зацеплении шестерни 9 с i= Z₉/Z₁₉=1/2.The piston machine comprises a housing 1, into which the sleeve 2 is pressed. A piston is installed in the sleeve 2, made integral and hollow and consisting of the upper part 3 and the lower part 4. The piston in cross section is made in the form of a figure bounded by two parallel lines bounded by two circular arcs (shown in Fig. 2). The piston (sleeve) can be made of rectangular cross section. The sleeve 2 (case 1) is closed by covers 5. The piston (its halves 3, 4 are pulled together by bolts) is mounted on the eccentric neck 7 with its transverse central hole through the inserts 6. The neck 7 on both sides ends with washers 8, the center of which is offset from the center neck 7 on R = S / 4, where S is the stroke of the piston. The neck 7, the piston (3, 4), the insert 6 are balanced by a special section of the washers 8, shown in FIG. 1, 8. Washers 8 end with shanks on which gears 9 are made. Neck 7, washers 8 and shanks form a crankshaft. For sealing, the washers 8 are equipped with o-rings 10. The washers 8 are mounted rotatably in the holes made in the crank bearings-disks 11. It is possible to install the washers 8 in these holes and on needle bearings, which is not shown in the drawings, since this is not essential and feasible structurally easy. The displacement of the centers of the disks 11 relative to the centers of the washers 8 is also insignificant (R = S / 4). Two disks 11 are installed through needle (roller) bearings 12 in the outer bearing cages, rigidly fixed in the housing 1. The disks 11 are located in the holes made in the sleeve 2, along a sliding fit, and the ends of the disks 11, washers 8 are flush with the inner walls of the sleeve 2. To seal the disks 11, they are equipped with o-rings 14. Instead of the rings 14, a labyrinth seal can be made. The disks 11 end with shanks 15, in the middle part of which a section is shown as shown in FIG. 3, and the metal from the shanks 15 is removed as much as is necessary to balance the piston, neck 7, liners 6, gears 9, i.e., it is necessary to carry out dynamic balancing of rotating-moving parts. The shanks 15 are mounted through bearings 16 in the covers 17, which are rigidly fixed to the housing 1. One of the shanks 15 ends with an output shaft 18 for power take-off. The shanks 15 are located inside the internal gearing wheels 19, which are rigidly fixed in the housing 1 and with which the gears 9 are engaged with i = Z ₉ / Z ₁₉ = 1/2.

Возможен подвариант выполнения машины, когда поршень и шейка 7 уравновешиваются специальными противовесами, которые закреплены (или выполнены за одно целое) за (или до них) шестернями 9. Это на чертежах не показано, так как конструктивно легко осуществимо. На фиг. 4-6 показан сборный поршень, выполненный в облегченном варианте. 20 отверстия под винты, 21 отверстия для шплинтов фиксаторов. На фиг. 7 показано поршневое уплотнительное кольцо 22, которыми оснащен поршень. Эти кольца вставлены в кольцевые канавки, выполненные в поршне, причем в каждой канавке может быть установлено 2-3 тонких кольца, развернутых относительно друг друга (r₁>r). Или каждое тонкое кольцо выполнено из двух полуколец (разрез И) и несколько их вперемежку короткими и длинными концами установлены в каждой канавке.A sub-embodiment of the machine is possible when the piston and the neck 7 are balanced by special balances, which are fixed (or made integrally) to (or before) the gears 9. This is not shown in the drawings, since it is structurally easy to implement. In FIG. 4-6 shows a combined piston made in a lightweight version. 20 holes for screws, 21 holes for cotter pins. In FIG. 7 shows the piston seal ring 22 that the piston is equipped with. These rings are inserted into annular grooves made in the piston, and in each groove 2-3 thin rings can be installed, deployed relative to each other (r ₁ > r). Or each thin ring is made of two half rings (section I) and several of them interspersed with short and long ends are installed in each groove.

На фиг. 9 показан второй подвариант выполнения эксцентриковой шейки 7 и шайб 8. В этом случае диски 11 могут выполняться меньшего диаметра, чем на фиг. 1, а поршни в сечении будут иметь менее вытянутую форму, но будут более высокими. Возможно выполнение вместо шейки 7 на валике (8) эксцентриковой шайбы с R=S/4, расположенной с возможностью вращения в отверстии, выполненном в поршне (установленной на подшипнике скольжения или качения). In FIG. 9 shows a second embodiment of the eccentric neck 7 and washers 8. In this case, the disks 11 can be made of a smaller diameter than in FIG. 1, and the pistons in cross section will have a less elongated shape, but will be higher. Instead of a neck 7, an eccentric washer with R = S / 4, which can rotate in a bore made in a piston (mounted on a sliding or rolling bearing), can be used.

Поршневая машина, к примеру, в качестве ДВС работает следующим образом. Подача топлива, отвод отработанных газов не показывается, так как это не существенно и осуществимо известными способами, но только отмечается следующее. Ввиду такого сечения цилиндра (поршня) появляется хорошая возможность установки нескольких (двух) клапанов как для выпуска, так и для впуска, рациональнее каждую из двух камер оснастить двумя свечами зажигания, горение топлива в таких камерах будет происходить как и в круглых камерах (с диаметром, равным 2), т.е. при одной и той же скорости вращения вала и мощности ДВС топливо в такой продолговатой камере будет сгорать полнее. A piston machine, for example, as an internal combustion engine works as follows. Fuel supply, exhaust gas removal is not shown, since it is not essential and feasible by known methods, but only the following is noted. In view of such a section of the cylinder (piston), there is a good opportunity to install several (two) valves for both exhaust and intake, it is more rational to equip each of the two chambers with two spark plugs, the combustion of fuel in such chambers will occur as in round chambers (with a diameter equal to 2), i.e. at the same shaft rotation speed and ICE power, the fuel in such an elongated chamber will burn more fully.

Поясняется работа механической части. Предположим, что в верхней (по фиг. 1) камере производится работа газов (а вал уже вращался), которые давят на поршень вниз, и он будет поварачивать шайбы 8, а значит, и шестерни 9. Шестеpни 9 катятся в колесах 19, вращая диски 11, хвостовики 15, вал 18. При этом шайбы 8 и диски 11 вращаются в противоположном друг другу направлении. При достижении поршнем нижней точки (до нижней крышки 5) шестерни 9 обкатятся в один свой оборот в колесах 19, находясь в зацеплении c половиной зубьев колес 19. Диски 11 (вал 18) совершают половину оборота, и так далее: поршень совершает возвратно-поступательное движение, шайбы 8 вращаются в отверстиях дисков 11, а диски 11 вращаются в подшипниках. В этом ДВС в отличие от ДВС Ванкеля газы при своей работе давят на поршень только для совершения полезной работы, уплотнения несравненно надежнее, конфигурация цилиндра намного проще, а в сравнении с прототипом машина намного компактнее все это и составляет технико-экономический эффект. The operation of the mechanical part is explained. Suppose that in the upper chamber (according to Fig. 1) the gas is working (and the shaft has already rotated), which press down on the piston, and it will turn the washers 8, and hence the gears 9. The gears 9 roll in the wheels 19, rotating disks 11, shanks 15, shaft 18. In this case, the washers 8 and disks 11 rotate in the opposite direction to each other. When the piston reaches the bottom point (to the bottom cover 5), the gears 9 will roll in one revolution in the wheels 19, being engaged with half the teeth of the wheels 19. The disks 11 (shaft 18) make half a revolution, and so on: the piston reciprocates movement, the washers 8 rotate in the holes of the disks 11, and the disks 11 rotate in the bearings. In this ICE, in contrast to the Wankel ICE, gases during their operation press on the piston only to do useful work, the compaction is incomparably more reliable, the cylinder configuration is much simpler, and compared to the prototype the machine is much more compact and all this makes a technical and economic effect.

Пример выполнения машины. An example of a machine.

К примеру, необходимо выполнить четырехтактный ДВС мощностью 120 л.с. For example, it is necessary to perform a four-stroke ICE with a capacity of 120 hp.

Решение: воспользовавшись возможностью хорошей балансировки, заложенной в конструктивном исполнении машины, принимаем, что n=7200 об/мин. Размеры поршня принимаем увеличенными в два раза по фиг. 2. Его площадь будет равна 1 дм³. Ход поршня S=100 м, значит V_n=1 дм³.Solution: using the opportunity of good balancing inherent in the design of the machine, we assume that n = 7200 rpm. The dimensions of the piston are taken to be doubled in FIG. 2. Its area will be equal to 1 dm ³ . The piston stroke S = 100 m, so V _n = 1 dm ³ .

Ne

128 л.с.Ne

128 h.p.

Размеры ДВС будут: длина не более 350 мм, высота не более 300 мм, ширина не более 250 мм. The dimensions of the internal combustion engine will be: length not more than 350 mm, height not more than 300 mm, width not more than 250 mm.

Claims

1. A PISTON MACHINE, comprising a body with a cylinder, rotating crank bearings with eccentric holes, recesses and shanks, a crankshaft with main and eccentric necks and cheeks, fixed internal gears rigidly connected to the body, gears mounted on the ends of the main necks and made with the possibility of interaction with internal gears, a piston with annular grooves and piston rings placed in the cylinder with the formation of two chambers of variable volume and mounted on an eccentric neck, the output shaft, rigidly connected with the shank of one of the crank bearings, and the cylinder cover, and the main necks are rotatably mounted in the eccentric holes of the crank bearings, characterized in that the piston cross section is rectangular or in the form of a figure bounded by two parallel straight lines, conjugated by two circular arcs, the cylinder is made in the form of a sleeve with two holes, crank supports - in the form of disks installed in the holes of the sleeve, the crankshaft cheeks - in in the form of washers and are placed in eccentric holes, the end surfaces of the disks and washers being flush with the inner surface of the sleeve, and sealing elements are installed between the holes of the sleeve and the disks and between the eccentric holes and washers.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the piston is made integral and hollow.

3. The machine according to claim 1, characterized in that the washers are made recesses from the side of the eccentric neck.

4. The machine according to p. 1, characterized in that the eccentric neck is made curved.

5. The machine according to p. 1, characterized in that the sealing elements are made in the form of o-rings.

6. The machine according to p. 1, characterized in that the sealing elements are made in the form of a labyrinth seal.

7. The machine according to p. 1, characterized in that the piston rings are made integral in cross-sectional shape of the piston.

8. The machine according to claim 1, characterized in that the recesses are made on disks and shanks.