WO2020013798A1 - Аксиальная поршневая машина - Google Patents

Аксиальная поршневая машина Download PDF

Info

Publication number
WO2020013798A1
WO2020013798A1 PCT/UA2019/000091 UA2019000091W WO2020013798A1 WO 2020013798 A1 WO2020013798 A1 WO 2020013798A1 UA 2019000091 W UA2019000091 W UA 2019000091W WO 2020013798 A1 WO2020013798 A1 WO 2020013798A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pistons
cylinders
bearings
axial piston
machine
Prior art date
Application number
PCT/UA2019/000091
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Евген Федорович ДРАЧКО
Original Assignee
Евген Федорович ДРАЧКО
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Евген Федорович ДРАЧКО filed Critical Евген Федорович ДРАЧКО
Publication of WO2020013798A1 publication Critical patent/WO2020013798A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/0082—Details
    • F01B3/0094—Driving or driven means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/0082—Details
    • F01B3/0094—Driving or driven means
    • F01B2003/0097—Z-shafts, i.e. driven or driving shafts in Z-form

Definitions

  • the proposed axial piston machine can be used as a technical device for converting fuel energy into mechanical work, as well as for pumping and compressing gases.
  • the invention relates to the construction of axial machines containing cylinders with pistons located around the output shaft.
  • the coordinated movement of the pistons in the cylinders is carried out by a kinematic mechanism.
  • Such a mechanism has a direct mechanical connection with the output shaft.
  • a feature of the work of the APM claimed here is that the friction pairs of its kinematic mechanism rotate with a small angular and linear velocity. This allows them to operate reliably under high mechanical load with minimal heat generation and with minimal wear of friction pairs using only grease and without a liquid oil lubrication system.
  • the cylinders are equipped with heat pipes, which can significantly reduce the temperature difference 25 on their walls. This distinguishes APM from well-known axial machine designs.
  • APM are designed to equip:
  • ultralight and light aircraft such as paramotors, motor hang gliders, airplanes and especially light helicopters
  • motor vehicles for outdoor activities and sports such as motorcycles, tetracycles, scooters and snowmobiles
  • this piston machine includes a gas exchange system, a housing with a shaft mounted on it and cylinders with pistons that mechanically interact with the shaft and the movement conversion mechanism, which has a common intersection point of the geometric axes of the kinematic pairs on the shaft axis.
  • the shaft is mechanically connected to the piston by a connecting rod and pivotally connected by an axis to the drive element, on which there is a pin, which is pivotally connected to the end element on the power take-off shaft.
  • the conversion mechanism of a piston engine is also known, which is described in the patent of the Russian Federation N ° 2046199.
  • a mechanism comprises a housing, inside of which there is a shaft and a crank disk mechanically connected to the pistons, having a support surface and gear engagement on the opposite side of the pistons that come into contact with the support surface and gear engagement of the support stand, respectively.
  • the support stand is made in the form of a cylinder, the axis of which coincides with the axis of the shaft, and an inclined crank made on the shaft is introduced into this cylinder, on which a crank disk is mounted through a sliding fit through caps with holes.
  • a positive quality of the prototype is the use of half shafts on the outer side surfaces of the rocker arm, which drives the pistons through the connecting rods.
  • the moment of friction in such semiaxes is negligible even with very large mechanical load. This circumstance is positive for improving engine efficiency.
  • the aim of the invention is to increase the reliability and efficiency of axial piston volume expansion machines, as well as simplifying the design and reducing their weight.
  • the axial piston machine which includes: a housing, cylinders with mounted pistons with rods, an inclined disk and an inclined axis of the output shaft passing through its central part, which is located between the cylinders.
  • the inclined disk is mounted on the machine body on a swivel joint as part of a cross with 4 bearings, while one pair of movable bearings is mounted on the inclined disk, and the other pair of stationary bearings is rigidly fixed to the housing.
  • the cylinder walls are equipped with heat pipes
  • the idea of the invention is to divide the action of gas-dynamic forces from the pistons into 2 components without limiting the angular velocity of the output shaft of the machine and with minimal energy loss: the axial component (which does not create torque and should be transmitted / closed to the housing) and the force that creates the torque on the output shaft.
  • This separation of the gas-dynamic forces from the pistons into 2 components is carried out using a 2-axis hinge assembly, which is mounted directly on the machine body.
  • An inclined disk is mounted on this hinge assembly, which provides a kinematic connection between the pistons with the rods and the output shaft having an inclined axis.
  • 2-axis hinge assemblies for transmitting angular momentum of shaft rotation, for example, cardan shafts of automobiles.
  • the 2-axis hinge unit is used to stabilize the movement of the inclined disk of the axial machine and to prevent its rotation relative to the housing under the action of gas-dynamic forces from the pistons.
  • the speeds are ten times lower compared to the high speed of unidirectional rotational movement of the shafts (as in the case of a connecting rod with holes for the piston pin and crankshaft journal).
  • the first additional difference from the first embodiment of the invention is that the cylinders of the machine are equipped with heat pipes that have a minimum permissible location to the inner surface of the cylinders.
  • the use of heat pipes reduces the temperature drop on the cylinder walls and removes excess heat from the most heat-stressed places of the cylinders.
  • Such a constructive solution is especially relevant for such heat engines as internal combustion engines. The result of this is to increase the reliability of the axial piston machine and achieve one of the objectives of the invention.
  • the second additional difference from the first embodiment of the invention is that the axial motor outlets have a valve flap whose operation is synchronized by a drive from the kinematic mechanism of the machine or directly from the output shaft.
  • Specialists know that in order to increase the speed of engines and get maximum power, it is critically important to reduce the weight of the pistons, for example, due to the comprehensive reduction of the length of the piston skirt. But then the short piston skirt cannot block the cylinder outlet and prevent the exhaust from entering the under-piston space.
  • the essence of the solution lies in the fact that when using lightweight pistons with short skirts in engines with the oncoming movement of two pistons in one cylinder, the cylinder outlets must have a valve flap whose operation is synchronized with the position of the pistons from the kinematic mechanism of the machine or from its output shaft.
  • figure 1 schematically shows a longitudinal section of an axial piston machine, the kinematic mechanism of which has a 2-axis hinge assembly;
  • FIG. 2 is figure 2 - schematically shows a longitudinal section of an axial piston internal combustion engine, which has one circular row of cylinders;
  • FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view of an axial piston internal combustion engine that has two circular circular rows of cylinders;
  • figure 4 schematically shows a longitudinal section of an axial internal combustion engine with an opposed arrangement of pistons
  • FIG. 5 is a fragment of a section of the cylinder wall of an axial 25 machine with a schematic representation of a heat pipe.
  • FIG. 6 is a schematic longitudinal sectional view of an axial internal combustion engine with an opposed arrangement of pistons and with spool valve timing.
  • Figure 1 also shows the main angular parameters of the kinematic mechanism of the axial piston machine: the angle a between the axis of the output shaft 11 and its inclined axis
  • swivel assembly in the form of a 2-axis hinge with 4 pins consisting of:
  • tilt axis 14 is installed on bearings 15 and 16 of the cage 7,
  • channels 17 discharge exhaust gases
  • heat pipes made in the form of drilled cavities indicated by axes 21 (see Fig. 5) in the walls of the cylinders 2;
  • plugs 22 seal the cavity of the heat pipe; capillary elements 23;
  • valve flap 24 outlet openings 27 of the valve flap 24; spool valve 28;
  • the flywheel 32 has a gear ring (it is not shown separately and is not indicated) to drive the external shaft 11 if necessary, for example, to start the internal combustion engine from the starter.
  • the operation of the axial piston machine (see figure 1) is as follows:
  • the gas in the cylinders 2 acts on the pistons 3, which transmit this effect through the rods 4 through spherical rings 6 to the inclined disk 5.
  • the inclined disk 5 is mounted on a pair of movable bearings 9. Therefore, it transfers through the cross 8 and through a pair of motionless bearings 10 on the housing 1 part of the main load from high pressure gases in the cylinders, as well as inertial forces from the reciprocating motion of the pistons 3. In addition, part of this load is transmitted to the output shaft 11 in the form of torque through inclined disk 5, through its ring 7 and bearings 15 and 16 on the inclined axis 14 of the output shaft 11.
  • the flywheel 32 is mounted on the output shaft 11, It has a significant inertial moment. This ensures unidirectional rotation of the output shaft 11 of the machine when the pistons 3 pass the upper and lower dead points, especially at low speeds. 5
  • Such an axial piston machine and its kinematic mechanism can be the basis for creating internal combustion engines, compressors and pumps for various purposes, as well as vacuum machines.
  • ju Single-row axial piston internal combustion engine (see figure 2) has cylinders 2 located around the output shaft 11 in a row in a circle, which are located on one side of the plane of the inclined disk 5. It works as follows. The engine is started through the ring gear of the flywheel 32. is The kinematic mechanism of the engine drives the pistons 3.
  • the gas pressure in the cylinders 2 acts on the pistons 3, which, through the rods 4 and the spherical bearings 6, transfer the mechanical load to the inclined disk 5.
  • the inclined disk 5 is mounted on the movable bearings 9 of the 2-axis pivot assembly and transfers through the crosspiece 8 and the stationary bearings 10 to housing 1 the main part of the gas-dynamic and inertial load from the pistons 3.
  • part of the mechanical load from the pistons 3 from the inclined disk 5 through its cage 7 and bearings 15 and 16 is transmitted to the inclined axis 14 of the output shaft 11 in the form of a torque 25 engine.
  • Gas exchange during engine operation is as follows. When the pistons 3 move upward in the piston space, a vacuum occurs. Under the influence of the air pressure drop, the flap valves 19 open and the volume is filled with fresh air (fuel-air mixture).
  • a 2-row axial piston internal combustion engine (see Fig. 3) has cylinders 2 arranged around the output shaft 11 in two rows in a circle, which are located on both sides of the plane of the inclined disk 5. Its operation is similar to that of the 20 single-row axial piston engine. However, its specific power is much larger due to the greater number of cylinders 2.
  • the axial piston internal combustion engine with 25 opposed pistons has two kinematic mechanisms with a common output shaft 11.
  • cylinders 2 Around the output shaft 11 between the kinematic mechanisms are cylinders 2 with gas exchange structural elements.
  • the fundamental difference between such an engine and the previously described ones is the straight-through purge of the cylinders 2, which provides better filling with fresh air (fuel-air mixture) compared to the loop-through purge (see FIG. 2 and FIG. 3).
  • Such an engine operates as follows. Engine start is carried out the starter (it is not shown) by means of the gear ring of the flywheel 32.
  • the walls of the cylinders 2 must be equipped with heat pipes filled with a low-boiling liquid, for example, ammonia, water, methanol or ethanol. They can have various designs, for example, in the form of drilled cavities indicated by axes 21 (see FIG. 5), which are hermetically sealed with plugs 22 and have capillary elements 23.
  • the use of heat pipes reduces the temperature difference on the walls of the cylinders 2, which increases reliability engine operation.
  • FIG.6 An axial internal combustion engine with an opposed arrangement of pistons and with spool valve timing is shown in Fig.6.
  • the purpose of the proposed design solutions is an increase in engine speed, as well as improving the quality of straight-through purge.
  • the operation of such an engine is similar to the operation of the previously described engine with direct-flow purge (see figure 4).
  • this engine has lightweight pistons 3 with a short skirt that cannot seal the sub-piston space near the top dead center of the pistons 3. Therefore, the openings of the outlet channel 17 must be blocked by the valve flap 24 when the pistons 3 are in the region of their top dead center. ingress of exhaust gases into the piston space.
  • the valve flap 24 in a sliding fit rotates around the outer surface of the cylinder 2 and has a ring gear 25.
  • the valve flap 24 can be driven from the kinematic mechanism of the machine or, for example, directly from the output shaft 11 by means of gear 26.
  • the number of exhaust openings 27 in the valve flaps 24 is the number of openings of the exhaust channel 17.
  • the transmission ratio of the ring gear 25 and gear 26 is determined by the number of exhaust openings 27 of the valve flap 24 to ensure their alignment with the openings of the can la 17, with the exhaust gas release. Therefore, the rotation speed of the valve flap 24 will be much less than the output shaft 11.
  • the purge quality of atmospheric 2-stroke engines is largely determined by the amount of gas throttling at the inlet and outlet.
  • the petal valves 19 open from the differential pressure of the gas and for this reason inevitably have a significant input gas-dynamic resistance.
  • Spool valves 28 have a much lower input impedance, gear 29 and rotate by sleeves 30.
  • the drive spool valves 28 is carried out by a gear wheel 31 from the output shaft 11.
  • the proposed axial piston machine does not have any design features that involve the use of specific materials, coatings, tools, equipment and special techniques for their use, not known in general engineering. To implement the invention, it is assumed to use existing materials, equipment and currently known technologies. Therefore, the proposed axial machine can be mass-produced and used on an industrial scale.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Shafts, Cranks, Connecting Bars, And Related Bearings (AREA)

Abstract

Изобретение относится к машиностроению, в частности к машинам объемного расширения, например, двигатели внутреннего сгорания, компрессоры и насосы. Аксиальная поршневая машина содержит корпус (1), цилиндры (2) с установленными в них поршнями (3) со штоками (4), наклонный диск (5) и проходящий через его центральную часть наклонную ось (14) вала (11), который расположен между цилиндрами (2). Согласно изобретению, наклонный диск (5) установлен на шарнирном узле, в составе крестовины (8) с 2-я парами подшипников, оси которых взаимно перпендикулярны, при этом одна пара подвижных подшипников (9) установлена на наклонном диске (5), а другая пара подшипников (10) жёстко закреплена на корпусе (1). Изобретение позволяет применить консистентную смазку узлов и исключить систему жидкой смазки.

Description

АКСИАЛЬНАЯ ПОРШНЕВАЯ МАШИНА
Область техники
Предлагаемая аксиальная поршневая машина (АПМ) может использоваться как техническое устройство для преобразования ю энергии топлива в механическую работу, а также для перекачивания и сжатия газов.
Изобретение относится к конструкции аксиальных машин, содержащих расположенные вокруг выходного вала цилиндры с поршнями. Согласованное движение поршней в цилиндрах is осуществляется кинематическим механизмом. Такой механизм имеет непосредственную механическую связь с выходным валом.
Особенностью работы заявляемой здесь АПМ является то, что пары трения её кинематического механизма совершают возвратно- вращательное движение с малой угловой и линейной скоростью. Это го позволяет им надёжно работать под большой механической нагрузкой с минимальным тепловыделением и с минимальным износом пар трения с использованием только консистентной смазки и без системы смазки жидким маслом. При этом цилиндры оснащены тепловыми трубками, что позволяет в значительной степени уменьшить разницу 25 температуры на их стенках. Это отличает АПМ от известных конструкций аксиальных машин.
АПМ предназначены для оснащения:
а) различных, транспортных средств, например, легковых автомобилей, такси и грузовиков;
зо малогабаритных судов типа моторных лодок, катеров и яхт;
сверхлегких и легких летательных аппаратов типа парамоторов, моторных дельтапланов, самолетов и особенно легких вертолетов; б) мототехники для активных видов отдыха и спорта, таких как мотоциклы, тетрациклы, скутеры и снегоходы;
в) тракторов, комбайнов и иных самоходных сельскохозяйственных орудий;
г) компактных и мобильных электрогенераторов;
д) а также могут применяться для перекачивания и сжатия различных газов для их накопления и хранения.
Уровень техники
Известен аксиальный двигатель W.G.Macombeer (патент США NQ1 ,042.018 от 22 октября 1912 г.). Этот двигатель имеет корпус, выходной вал, вокруг которого расположены цилиндры с поршнями и шатунами со сферическими опорами на противоположных концах. На выходном валу на шарнирном узле установлен наклонный диск.
Недостатком этого двигателя является то, что вся механическая нагрузка от газодинамических и инерционных сил поршней приходится на подшипники выходного вала, которые к тому же имеют достаточно высокую скоростную нагрузку. По этой причине очень большая нагрузка на подшипники выходного вала такого двигателя ограничивает ресурс и надёжность работы такого двигателя.
Известна поршневая машина, которая описана в патенте Российской Федерации N°2269663. Согласно описанию патента, эта поршневая машина включает систему газообмена, корпус с установленными на нём валом и цилиндрами с поршнями, которые механически взаимодействуют с валом и механизмом преобразования движения, имеющим общую точку пересечения геометрических осей кинематических пар на оси вала. Вал механически соединён с поршнем шатуном и шарнирно соединен осью с поводковым элементом, на котором имеется цапфа, которая шарнирно соединена с торцевым элементом на валу отбора мощности. Недостатками такой поршневой машины является конструктивно сложная, ненадёжная в работе и трудная в изготовлении ось с поводковым элементом и цапфой, которая шарнирно соединена с торцевым элементом на валу отбора мощности. Кроме того, двуплечие рычаги (в описании патента они обозначены цифрой 8), которые шарнирно соединены шатунами с осью, накладывают принципиальное ограничение использования в такой машине только чётного количества цилиндров.
Также известен преобразующий механизм поршневого двигателя, который описан в патенте Российской Федерации N°2046199. Такой механизм содержит корпус, внутри которого размещены вал и механически связанный с поршнями кривошипный диск, имеющий с противоположной от поршней стороны опорную поверхность и зубчатое зацепление, входящие в контакт соответственно с опорной поверхностью и зубчатым зацеплением опорной подставки. При этом опорная подставка выполнена в виде цилиндра, ось которого совпадает с осью вала, и внутрь этого цилиндра введен выполненный на валу наклонный кривошип, на котором по скользящей посадке через колпаки с отверстиями установлен кривошипный диск.
Недостатками такого преобразующего механизма являются большие габариты и соответственно большой вес опорной подставки, которая должна воспринимать и передавать на корпус всю нагрузку от поршней, которая является результатом действия газов высокого давления и инерционных сил от возвратно-поступательного движения поршней. Кроме того, сложными в изготовлении являются большие по размерам конические зубчатые зацепления кривошипного диска и опорной подставки. Более того, сомнительным является достижение самой цели такого изобретения по той причине, что контакт по опорной поверхности (она обозначена в описании изобретения цифрой 10) осуществляется только в месте нижних мёртвых точек положения поршней, т.е. там, где давление газов на поршни минимально, т.е. в месте минимальной нагрузки. Но в поршневых машинах максимальное пиковое давление и максимальная механическая нагрузка приходятся в месте верхней мёртвой точки положения поршней, а именно в этом месте нет непосредственного контакта кривошипного диска с опорной поверхностью для передачи нагрузки от поршней на корпус.
Наиболее близким по замыслу заявляемого изобретения является известный двигатель внутреннего сгорания, который описан в патенте Российской Федерации 1М°2046197. Согласно описанию патента, такой двигатель содержит два параллельных друг другу цилиндра с установленными в них поршнями с шатунами, систему газообмена, средства подачи и поджига топлива и вал, расположенный между цилиндрами и имеющий наклонный кривошип, на котором по скользящей посадке установлена кривошипная головка. При этом в плоскости расположения цилиндров установлено коромысло с полостью в центральной части, внутри которой размещена кривошипная головка, механически связанная с коромыслом. На внешних боковых поверхностях коромысла выполнены полуоси, которые вставлены в выполненные в несущих пластинах отверстия, имеющие общую линию симметрии, которая совмещена с точкой пересечения осей вала и наклонного кривошипа. При этом концы коромысла механически связаны с поршнями.
Положительным качеством прототипа является использование полуосей на внешних боковых поверхностях коромысла, которое через шатуны осуществляет привод поршней. Момент трения в таких полуосях незначительный даже при очень большой механической нагрузке. Это обстоятельство является положительным для улучшения экономичности двигателя.
Основным недостатком такого двигателя является невозможность увеличения числа цилиндров более 2-х, например, 3, 4, 5 и более. Это обстоятельство является следствием несовершенства конструкции его кинематического механизма, потому что его коромысло имеет только 2 конца. Следовательно, удельная мощность (на единицу веса) такого двигателя является весьма ограниченной.
Целью изобретения является повышение надёжности работы и экономичности аксиальных поршневых машин объёмного расширения, а также упрощение конструкции и уменьшение их веса.
Поставленная задача изобретения решена тем, что аксиальная поршневая машина, которая включает: корпус, цилиндры с установленными в них поршнями со штоками, наклонный диск и проходящую через его центральную часть наклонную ось выходного вала, который расположен между цилиндрами. Согласно изобретению, наклонный диск установлен на корпус машины на шарнирном соединении в составе крестовины с 4-я подшипниками, при этом одна пара подвижных подшипников установлена на наклонном диске, а другая пара неподвижных подшипников жёстко закреплена на корпусе. Кроме того, стенки цилиндров оснащены тепловыми трубками
В отличие от прототипа, замысел изобретения заключается в том, чтобы без ограничения угловой скорости выходного вала машины и с минимальными потерями энергии разделить действие газодинамических сил от поршней на 2-е составляющие: осевую составляющую (которая не создаёт крутящего момента и должна быть передана/замкнута на корпус) и силу, создающую крутящий момент на выходном валу. Такое разделение газодинамических сил от поршней на 2-е составляющие осуществляется при помощи 2-осевого шарнирного узла, который установлен непосредственно на корпусе машины. На этот шарнирный узел устанавливается наклонный диск, который осуществляет кинематическую связь между поршнями со штоками и выходным валом, имеющим наклонную ось.
Этим достигается цель:
а) передать (замкнуть) на корпус осевую составляющую сил от действия газов высокого давления в цилиндрах и инерционных сил возвратно-поступательного движения поршней:
б) передать силы от действия газов высокого давления в цилиндрах на наклонную ось выходного вала машины в виде крутящего момента с минимальными потерями энергии.
Известно применение 2-осевых шарнирных узлов для передачи момента вращения валов под углом, например, карданные валы автомобилей. Напротив, здесь 2-осевой шарнирный узел применяется для стабилизации движения наклонного диска аксиальной машины и исключения его поворота относительно корпуса под действием газодинамических сил от поршней.
Применение 2-осевого шарнирного узла обеспечивает возвратно-вращательное перемещение в подшипниковых парах трения с минимальной скоростью и, соответственно, с минимальными потерями энергии и минимальным износом даже при очень больших механических нагрузках. Например, шатуны классических поршневых двигателей имеют диаметры подшипников под поршневой палец намного меньшего размера по сравнению с диаметром подшипников под шейку коленчатого вала, хотя механическая нагрузка в этих подшипниках идентичная. Это объясняется тем, что разница в угловых и линейных скоростях этих двух подшипников шатуна отличается в десятки раз. Соответственно в десятки раз отличаются потери энергии и износ в них. В подшипниках, имеющих возвратно- вращательное движение (в данном случае 2-осевой шарнирный узел), скорости в десятки раз меньше по сравнению с высокой скоростью однонаправленного вращательного движения валов (как в случае шатуна с отверстиями под поршневой палец и шейку коленчатого вала).
Более того, специалисты знают, что нормальные условия работы для быстро вращающихся валов возможны только при обеспечении условий создания жидкостного масляного клина между валом и обоймой подшипника. Для этого приходится создавать целую масляную систему (например в автомобильных двигателях), в состав которой входят: масляный бак, насос, радиатор, фильтры, множество трубок и т.д. В целом это громоздкая, тяжёлая и ненадёжная в работе система. При этом она требует постоянного обслуживания. Однако всё равно неисправности в работе систем смазки являются причиной большинства поломок машин.
В предлагаемой машине целесообразно заменить жидкое масло на консистентную смазку долговременной закладки практически во всех парах трения кинематического механизма. Это позволит исключить систему смазки машины жидким маслом и таким образом достичь поставленных целей изобретения по повышению надёжности работы и экономичности аксиальных поршневых машин объёмного расширения, а также упростить их конструкцию и уменьшить вес.
Первое дополнительное отличие от первого варианта изобретения состоит в том, что цилиндры машины оснащены тепловыми трубками, которые имеют минимально допустимое расположение до внутренней поверхности цилиндров. Применение тепловых трубок позволяет уменьшить перепад температуры на стенках цилиндров и отвести избыток тепла от наиболее теплонапряжённых мест цилиндров. Такое конструктивное решение особенно актуально для таких тепловых машин как двигатели внутреннего сгорания. Результатом этого является повышение надёжности работы аксиальной поршневой машины и достижение одной из целей изобретения.
Второе дополнительное отличие от первого варианта изобретения состоит в том, что выпускные отверстия аксиального двигателя имеют клапанную заслонку, работа которой синхронизирована приводом от кинематического механизма машины или непосредственно от выходного вала. Специалистам известно, чтобы увеличить быстроходность двигателей и получить максимальную мощность, критически важно уменьшить вес поршней, например, за счёт всемерного уменьшения длины юбки поршня. Но тогда короткая юбка поршня не может перекрыть выпускные отверстия цилиндра и препятствовать попаданию отработавших газов в подпоршневое пространство. Поэтому суть решения заключается в том, что при применении облегчённых поршней с короткими юбками в двигателях со встречным движением двух поршней в одном цилиндре, выпускные отверстия цилиндров должны иметь клапанную заслонку, работа которой синхронизирована с положением поршней от кинематического механизма машины или от её выходного вала.
Следовательно, решение задачи изобретения посредством применения 2-осевого шарнирного узла для стабилизации движения наклонного диска аксиальной машины и исключения его вращения относительно корпуса машины под действием газодинамических сил от поршней с минимальными потерями энергии является 5 неочевидным для специалиста и представляет единство предмета изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее сущность изобретения - в основном на минимальных примерах - поясняется подробным описанием различных вариантов ю конструкции аксиальной поршневой машины со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:
фиг.1 - схематически показано продольное сечение аксиальной поршневой машины, кинематический механизм которой имеет 2- осевой шарнирный узел;
is фиг.2 - схематически показано продольное сечение аксиального поршневого двигателя внутреннего сгорания, который имеет один круговой ряд цилиндров;
фиг.З - схематически показано продольное сечение аксиального поршневого двигателя внутреннего сгорания, который имеет два го круговых ряда цилиндров;
фиг.4 - схематически показано продольное сечение аксиального двигателя внутреннего сгорания с оппозитным расположением поршней;
фиг.5 - показан фрагмент сечения стенки цилиндра аксиальной 25 машины со схематическим изображением тепловой трубки.
фиг.6 - схематически показано продольное сечение аксиального двигателя внутреннего сгорания с оппозитным расположением поршней и с золотниковым газораспределением.
На фиг.2-4 и фиг.6 стрелками показано направление движения зо потока газа.
На фиг.1 также показаны основные угловые параметры кинематического механизма аксиальной поршневой машины: угол а между осью выходного вала 11 и его наклонной осью
14;
угол 90° между наклонной осью 14 и плоскостью наклонного диска 5;
угол 90° между осями подвижных подшипников 9 и неподвижных подшипников 10, в которых установлена крестовина 8.
Наилучшие варианты осуществления изобретения На фигурах 1 - 5 для нужд описания аксиальной поршневой машины и её кинематического механизма схематически показаны: корпус 1 ;
цилиндры 2;
поршни 3;
штоки 4 со сферическими опорами на их противоположных концах;
наклонный диск 5, который имеет расположенные по его периметру
сферические опоры 6, а также обойму 7;
шарнирный узел в виде 2-осевого шарнира с 4-я цапфами составе:
крестовины 8, имеющей две пары подшипников:
подвижные подшипники 9, которые закреплены на наклонном диске 5;
неподвижные подшипники 10, которые жёстко закреплены на корпусе 1 ;
выходной вал 11 , установлен на корпусе 1
на подшипниках 12 и 13, при этом его
наклонная ось 14 установлена на подшипниках 15 и 16 обоймы 7,
В центральной части крестовины 8 имеется отверстие, через которое проходит наклонная ось 14 выходного вала 11.
При реализации аксиальной поршневой машины в виде двигателя внутреннего сгорания (например, 2-тактного) она должна иметь дополнительные конструктивные элементы, которые обеспечивают её газообмен (элементы топливной аппаратуры и управления зажиганием топлива на фиг. 2 - 4 не приведены и не обозначены):
каналы 17 осуществляют выпуск отработавших газов;
каналы 18 продувки цилиндров 2;
лепестковые клапаны 19 и
эластичные уплотнения 20 обеспечивают герметичность подпоршневого пространства при движении штоков 4;
тепловые трубки, выполненные в виде высверленных полостей обозначенных осями 21 (см. фиг.5) в стенках цилиндров 2;
заглушки 22 герметизируют полость тепловой трубки; капиллярные элементы 23;
клапанная заслонка 24;
зубчатый венец 25 клапанной заслонки 24;
шестерня 26 привода клапанной заслонки 24;
выпускные отверстия 27 клапанной заслонки 24; золотниковый клапан 28;
зубчатое зацепление 29 золотникового клапана 28; втулка 30 золотникового клапана 28;
зубчатое колесо 31 привода золотникового клапана 28;
маховик 32 имеет зубчатый венец (он отдельно не показан и не обозначен) для привода внешнего вала 11 при необходимости, например, для пуска двигателя внутреннего сгорания от стартера. Работа аксиальной поршневой машины (см. фиг.1 ) осуществляется следующим образом:
Газ, находящийся в цилиндрах 2, воздействует на поршни 3, которые это воздействие передают посредством штоков 4 через сферические обоймы 6 на наклонный диск 5. Наклонный диск 5 установлен на паре подвижных подшипников 9. Поэтому он через крестовину 8 и через пару неподвижные подшипников 10 передаёт на корпус 1 часть основной нагрузки от газов высокого давления в цилиндрах, а также инерционные силы от возвратно-поступательного движения поршней 3. Кроме этого часть этой нагрузки передаётся на выходной вал 11 в виде крутящего момента через наклонный диск 5, через его обойму 7 и подшипники 15 и 16 на наклонную ось 14 выходного вал 11.
Движение в паре подвижных 9 и в паре неподвижных подшипников 10, в которых установлена крестовина 8, является возвратно-вращательным, осуществляется с небольшой угловой и линейной скоростью аналогично паре трения в соединении пальца поршня с шатуном классического поршневого двигателя внутреннего сгорания. Это обеспечивает минимальные потери энергии газодинамических сил при их преобразовании от возвратно- поступательного движения поршней 3 в крутящий момент выходного вала 11.
Маховик 32 установлен на выходном валу 11 , Он имеет значительный инерционный момент. Этим обеспечивается однонаправленность вращения выходного вала 11 машины при прохождении поршнями 3 верхней и нижней мёртвых точек, особенно на малых оборотах. 5 Такая аксиальная поршневая машина и её кинематический механизм может быть основой для создания двигателей внутреннего сгорания, компрессоров и насосов различного назначения, а также вакуумных машин. ю Однорядный аксиальный поршневой двигатель внутреннего сгорания (см. фиг.2) имеет расположенные вокруг выходного вала 11 в один ряд по кругу цилиндры 2, которые находятся с одной стороны плоскости наклонного диска 5. Он работает следующим образом. Пуск двигателя осуществляется через зубчатый венец маховика 32. is Кинематический механизм двигателя приводит в движение поршни 3.
Давление газов в цилиндрах 2 воздействует на поршни 3, которые через штоки 4 и сферические опоры 6 передают механическую нагрузку на наклонный диск 5. Наклонный диск 5 установлен на подвижных подшипниках 9 2-осевого шарнирного узла и через го крестовину 8 и неподвижные подшипники 10 передаёт на корпус 1 основную часть газодинамической и инерционной нагрузки от поршней 3. При этом часть механической нагрузки от поршней 3 от наклонного диска 5 через его обойму 7 и подшипники 15 и 16 передаётся на наклонную ось 14 выходного вала 11 в виде крутящего момента 25 двигателя.
Газообмен при работе двигателя осуществляется следующим образом. При движении поршней 3 вверх в подпоршневом пространстве возникает разряжение. Под воздействием перепада давления воздуха открываются лепестковые клапаны 19 и происходит зо наполнение объёма свежим воздухом (топливо-воздушной смесью).
При движении поршней 3 вниз уменьшается объём подпоршневого пространства и избыточное давление закрывает лепестковые клапаны 19. Когда верхняя кромка попшня 3 открывает выпускное отверстие 17 5 происходит выпуск отработавших газов. При дальнейшем движении поршня 3 вниз в цилиндре 2 открываются отверстия канала продувки 18 и цилиндр наполняется свежим воздухом (топливо-воздушной смесью). То есть в данном случае осуществляется известная специалистам петлевая продувка цилиндров 2. Эластичные ю уплотнения 20 (например, силиконовые) служат для герметизации подпоршневого пространства при движении штоков 4. Далее поршень 3 проходит нижнюю мёртвую точку и последовательно перекрывает канал 18 продувки и канал 17 выпуска газов. Далее рабочий цикл повторяется.
15
2-рядный аксиальный поршневой двигатель внутреннего сгорания (см. фиг.З) имеет расположенные вокруг выходного вала 11 в два ряда по кругу цилиндры 2, которые находятся с по обе стороны плоскости наклонного диска 5. Его работа аналогична работе 20 однорядного аксиального поршневого двигателя. Однако его удельная мощность значительно больше благодаря большему количеству цилиндров 2.
Аксиальный поршневой двигатель внутреннего сгорания с 25 оппозитным расположением поршней (см. фиг.4) имеет два кинематических механизма с общим выходным валом 11. Вокруг выходного вала 11 между кинематическими механизмами расположены цилиндры 2 с конструктивными элементами газообмена. Принципиальным отличием такого двигателя от ранее описанных зо является прямоточная продувка цилиндров 2, которая обеспечивает лучшее наполнение свежим воздухом (топливо-воздушной смесью) по сравнению с петлевой продувкой (см. фиг.2 и фиг.З). Такой двигатель работает следующим образом. Пуск двигателя осуществляется стартером (он не показан) посредством зубчатого венца маховика 32. При движении поршней 3 каналы газообмена (выпуска 17 и продувки 18, имеющие в стенках цилиндров 2 отверстия, которые отдельно не обозначены) закрыты юбками поршней 3 и открываются головками поршней 3 только вблизи их нижней мёртвой точки. При этом наполнение подпоршневого пространства осуществляется аналогично ранее описанным однорядному и двухрядному аксиальным двигателям. Два кинематических механизма аксиальной поршневой машины, которые расположены по обе стороны выходного вала 11 , обеспечивают согласованное движение попарно встречно расположенных поршней 3 в цилиндрах 2 и нормальную работу двигателя в целом. Важной конструктивной особенностью такого двигателя является отсутствие головок цилиндров, которые являются наиболее теплонапряжёнными элементами двигателей с цилиндрами классической конструкции.
Дополнительно снизить тепловую напряжённость цилиндров 2 можно применением тепловых трубок (см. фиг.5). Для этого стенки цилиндров 2 должны быть оснащены тепловыми трубками, наполненными легкокипящей жидкостью, например, аммиаком, водой метанолом или этанолом. Они могут иметь различное конструктивное исполнение, например, в виде высверленных полостей, обозначенных осями 21 (см. фиг.5), которые герметично закрыты заглушками 22 и имеют капиллярные элементы 23. Применение тепловых трубок уменьшает разницу температуры на стенках цилиндров 2, что повышает надёжность работы двигателя.
Аксиальный двигатель внутреннего сгорания с оппозитным расположением поршней и с золотниковым газораспределением показан на фиг.6. Целью предлагаемых конструктивных решений является увеличение быстроходности двигателя, а также улучшение качества прямоточной продувки. Работа такого двигателя подобна работе ранее описанного двигателя с прямоточной продувкой (см. фиг.4). С целью улучшения быстроходности этот двигатель имеет облегчённые поршни 3 с короткой юбкой, которая не может герметизировать подпоршневое пространство около верхней мёртвой точки поршней 3. Поэтому отверстия выпускного канала 17 должны перекрываться клапанной заслонкой 24 при положении поршней 3 в районе их верхней мёртвой точки, чтобы исключить попадание отработавших газов в подпоршневое пространство.
Клапанная заслонка 24 по скользящей посадке вращается вокруг внешней поверхности цилиндра 2 и имеет зубчатый венец 25. Привод клапанной заслонки 24 может осуществляется от кинематического механизма машины или, например, непосредственно от выходного вала 11 посредством шестерни 26. Число выпускных отверстий 27 в клапанных заслонках 24 равно количеству отверстий канала выпуска 17. Кратность передачи зубчатого венца 25 и шестерни 26 определяется количеством выпускных отверстий 27 клапанной заслонки 24 для обеспечения их совмещения с отверстиями канала 17 при выпуске отработавших газов. Следовательно, скорость вращения клапанной заслонки 24 будет намного меньше выходного вала 11.
Качество продувки атмосферных 2-тактных двигателей во многом определяется величиной дроселирования газов на входе и выходе. Лепестковые клапаны 19 (см. фиг.2-4) открываются от перепада давления газа и по этой причине неизбежно оказывают значительное входное газодинамическое сопротивление. Золотниковые клапаны 28 имеют намного меньшее входное сопротивление, имеют зубчатое зацепление 29 и вращаются на втулках 30. Привод золотниковых клапанов 28 осуществляется зубчатым колесом 31 от выходного вала 11.
При среднем положении поршней 3 между верхней и нижней мёртвой точки они перекрывают отверстия выпускного канала 17 как обычные поршни с длинными юбками. А при дальнейшем движении поршней 3 вплоть до нижней мёртвой точки они открывают отверстия выпускного 17 канала своею верхней кромкой как обычные поршни.
Благодаря применению облегчённых поршней 3 такие двигатели имеют повышенную быстроходность и большую удельную мощность.
Промышленная применимость
Предлагаемая аксиальная поршневая машина не имеет каких- либо конструктивных особенностей, которые предполагают использование специфических материалов, покрытий, инструментов, оборудования и особых приёмов их применения, не известных в общем машиностроении. Для реализации изобретения предполагается использование существующих материалов, оборудования и известных в настоящее время технологий. Следовательно, предлагаемая аксиальная машина может серийно изготовляться и использоваться в промышленных масштабах.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Аксиальная поршневая машина, содержащая корпус 1 , цилиндры 2 с установленными в них поршнями 3 со штоками 4, наклонный диск 5 и проходящий через его центральную часть вал 11 с наклонной осью 14, который расположен между цилиндрами 2, отличающаяся тем, что наклонный диск 5 установлен на корпус 1 машины на шарнирном узле в составе крестовины 8 с 2-я парами подшипников, оси которых взаимно перпендикулярны, при этом одна пара подвижных подшипников 9 установлена на наклонном диске 5, а другая пара подшипников
10 жёстко закреплена на корпусе
2. Аксиальная поршневая машина по п. 1 , отличающаяся тем, что стенки цилиндров 2 оснащены тепловыми трубками.
3. Аксиальная поршневая машина по п. 1 , отличающаяся тем, что отверстия выпускного канала 17 снабжены клапанной заслонкой
24, синхронизация работы которой осуществляется приводом от кинематического механизма машины.
PCT/UA2019/000091 2018-07-12 2019-07-12 Аксиальная поршневая машина WO2020013798A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UAA201807796 2018-07-12
UAA201807796 2018-07-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020013798A1 true WO2020013798A1 (ru) 2020-01-16

Family

ID=69141569

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/UA2019/000091 WO2020013798A1 (ru) 2018-07-12 2019-07-12 Аксиальная поршневая машина

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2020013798A1 (ru)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1042018A (en) 1911-04-05 1912-10-22 Walter G Macomber Rotary engine.
GB236696A (en) * 1924-05-09 1925-07-16 Charles Benjamin Redrup Improvements in internal combustion and other engines, pumps, and the like
RU2046199C1 (ru) 1992-02-25 1995-10-20 Александр Николаевич Власов Преобразующий механизм поршневого двигателя
RU2046197C1 (ru) 1992-10-29 1995-10-20 Александр Николаевич Власов Двигатель внутреннего сгорания
US20050155488A1 (en) * 2004-01-21 2005-07-21 Shulenberger Arthur M. Axial piston machines
RU2269663C2 (ru) 2001-08-23 2006-02-10 Андрей Дмитриевич Загородний Поршневая машина
WO2009022918A1 (en) * 2007-08-10 2009-02-19 Duke Engines Limited Advance-retard mechanism for axial piston machine and axial piston machine incorporating such
US20100300410A1 (en) * 2009-06-01 2010-12-02 Steven Don Arnold Variable stroke and compression ratio engine
WO2011087198A2 (ko) * 2010-01-13 2011-07-21 Seo Sang Duck 스터링엔진 어셈블리

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1042018A (en) 1911-04-05 1912-10-22 Walter G Macomber Rotary engine.
GB236696A (en) * 1924-05-09 1925-07-16 Charles Benjamin Redrup Improvements in internal combustion and other engines, pumps, and the like
RU2046199C1 (ru) 1992-02-25 1995-10-20 Александр Николаевич Власов Преобразующий механизм поршневого двигателя
RU2046197C1 (ru) 1992-10-29 1995-10-20 Александр Николаевич Власов Двигатель внутреннего сгорания
RU2269663C2 (ru) 2001-08-23 2006-02-10 Андрей Дмитриевич Загородний Поршневая машина
US20050155488A1 (en) * 2004-01-21 2005-07-21 Shulenberger Arthur M. Axial piston machines
WO2009022918A1 (en) * 2007-08-10 2009-02-19 Duke Engines Limited Advance-retard mechanism for axial piston machine and axial piston machine incorporating such
US20100300410A1 (en) * 2009-06-01 2010-12-02 Steven Don Arnold Variable stroke and compression ratio engine
WO2011087198A2 (ko) * 2010-01-13 2011-07-21 Seo Sang Duck 스터링엔진 어셈블리

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100922024B1 (ko) 왕복동 피스톤엔진
US7980208B2 (en) Reciprocating engine
US20060150949A1 (en) Rotary internal combustion engine
KR20110053367A (ko) 로터리 피스톤 내연기관
US20110011368A1 (en) Reciprocating engines
JP2019011761A (ja) 内燃機関
EP0277123B1 (en) Rotary/linear convertor
US4569314A (en) Two-stroke axial pistons engines
CN110439682B (zh) 对置发动机
WO2020013798A1 (ru) Аксиальная поршневая машина
US5626113A (en) Piston-cylinder assembly and drive transmitting means
RU2125162C1 (ru) Поршневой двигатель сахарнова
RU141438U1 (ru) Двигатель внутреннего сгорания "нормас - мх-50"
US10954851B2 (en) Balanced rotary engine
US9239002B2 (en) Orbiting planetary gearing system and internal combustion engine employing the same
KR101592629B1 (ko) 대향형 레이디얼 로터리-피스톤 엔진
US5638776A (en) Internal combustion engine
CN101375042A (zh) 拉杆发动机
RU2263803C1 (ru) Двигатель внутреннего сгорания
RU154798U1 (ru) Двигатель внутреннего сгорания "нормас". вариант - хв - 73
RU134996U1 (ru) Двигатель внутреннего сгорания "нормас - мх-43"
EP2925966B1 (en) Internal combustion engine employing an orbiting planetary gearing system
JP6266625B2 (ja) 軌道周回プラネタリギアリングシステム及びそれを採用した内燃機関
AU2011265524A1 (en) Reciprocating Engine
NZ529777A (en) Reciprocating engine

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19762237

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19762237

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1