Поршневая машина (варианты)

Поршневая машина (варианты)

Реферат

 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что поршневая машина содержит как минимум два цилиндра с перемещающимися в них поршнями, а во впускной и выпускной камерах, соединенных с перепускными каналами с цилиндрами, вращаются цилиндрические золотники. При этом впускная камера расположена над одним цилиндром, выпускная - над другим, а каждая камера работает на два цилиндра. Сущность другого изобретения заключается в том, что поршневая машина содержит как минимум два смежных рабочих цилиндра с рабочими полостями, в которых перемещаются поршни, связанные каждый со своим кривошипом. В камерах впуска и выпуска перемещаются золотники, связанные с поршнями. В рабочих цилиндрах над поршнями при их положении в верхней мертвой точке выполнены впускные и выпускные окна, соединенные перепускными каналами с окнами камеры впуска и камеры выпуска. Согласно изобретению, золотники связаны с поршнями при помощи штоков, а камеры установлены над рабочими поршнями через разделяющую перегородку. 3 с. и 5 з.п.ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкции поршневых двухтактных и четырехтактных двигателей внутреннего сгорания, а также к конструкции поршневых компрессоров и насосов, которые имеют механизм движения поршней и рабочий цилиндр с впускными и выпускными окнами.

В качестве группы изобретений предлагается несколько независимых вариантов исполнения поршневой машины, которая может быть использована по различному назначению с сохранением основных отличительных особенностей. Все варианты поршневой машины имеют один вид и обеспечивают получение сходного технического результата, т.к. обеспечивают сжатие газа или перекачку жидкой среды с помощью поступательного движения поршней и работы распределительного механизма.

В качестве ближайшего прототипа для поршневой машины, имеющей цилиндр, поршень, впускные и выпускные окна, а также устройство для перекрытия окон, может быть принята поршневая машина, имеющая эти же ограничительные признаки. К такой поршневой машине можно отнести четырехтактные и двухтактные двигатели внутреннего сгорания, а также компрессоры для сжатия и отсоса газов (вакуумные компрессоры) и поршневые насосы для перекачки жидких сред.

Все перечисленные известные варианты поршневой машины имеют сложный механизм газораспределения с рядом недостатков, которые снижают технико-экономические показатели поршневой машины. Так, например, у четырехтактного двигателя механизм газораспределения включает в себя подъемные клапаны принудительного действия и кулачковый вал. Подъемные клапаны и кулачковый вал имеют неуравновешенные инерционные массы, которые ограничивают скорость вращения вала двигателя и не позволяют развить его возможную максимальную мощность. Наличие клапанных тарелок, перекрывающих окна, не обеспечивает их полное открытие и увеличивает сопротивление газового тракта. Для уменьшения сопротивления газового тракта иногда используют несколько подъемных клапанов для одного цилиндра, но это значительно усложняет конструкции двигателя.

Газораспределительный механизм, имеющий кулачковый распредвал, клапаны, толкатели, подвержен быстрому износу, имеет низкий механический кпд и повышенный уровень шума. По мере износа кулачков распредвала и толкателей требуется периодическая регулировка зазоров в процессе эксплуатации.

В поршневых компрессорах и насосах в качестве распределительного механизма используются подъемные самодействующие клапаны, запорные элементы которых также имеют неуравновешенные инерционные массы. Поэтому самодействующие клапаны имеют низкую надежность и не позволяют увеличить скорость вращения поршневой машины.

В двухтактных двигателях внутреннего сгорания в качестве распределительного механизма используются выполненные на стенке цилиндра окна, которые перекрываются поршнем. Такое расположение окон влечет за собой необходимость увеличения длины цилиндров и поршней. При малой длине цилиндров и поршней возникает вероятность выноса масла из картера двигателя в выпускные окна и попадания топлива в картер двигателя через впускные окна. Кроме того, по этой причине необходимо размещать дополнительные поршневые кольца на нижней части юбки поршня.

Задачей изобретения является повышение технико-экономических показателей поршневой машины за счет упрощения и повышения надежности распределительного механизма у машин, сжимающих газ или перекачивающих жидкость.

В качестве ближайшего прототипа можно принять конструкцию поршневой машины, используемой в качестве двигателя-компрессора, которая описана в книге [2].

Недостатком известной машины является малая эффективность ее работы.

Техническим результатом для всех вариантов является повышение эффективности.

Поставленная задача в части первого варианта достигается тем, что поршневая машина, например, как двухтактный или четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, компрессор для сжатия или отсоса газа или насос для перекачки жидкой среды, содержащая цилиндры с полостями, в которых перемещаются поршни, камеру впуска и камеру выпуска, в которых вращаются цилиндрические золотники, связанные с валом двигателя, и впускные и выпускные окна, соединенные перепускными каналами с камерами впуска и выпуска, согласно изобретению содержит как минимум два цилиндра, впускная камера расположена над одним цилиндром, а выпускная - над другим, при этом каждая камера работает на два цилиндра.

Поставленная задача достигается также тем, что полости цилиндров могут быть соединены между собой при помощи канала с образованием общей камеры сгорания для двух цилиндров, а поршни совершают движение в одном направлении, при этом один цилиндр имеет впускные окна, а другой цилиндр - выпускные окна, либо цилиндры работают независимо друг от друга, поршни цилиндров совершают встречное движение и работают в противофазе, в камерах впуска и выпуска размещены по два золотника, а каждый цилиндр имеет и впускное и выпускное окно.

Поставленная задача в части второго варианта достигается тем, что в поршневой машине, содержащей как минимум два смежных рабочих цилиндра с рабочими полостями, в которых перемещаются поршни, связанные каждый со своим кривошипом, камеры впуска и камеры выпуска, в которых перемещаются золотники, связанные с поршнями, впускные и выпускные окна, выполненные в рабочих цилиндрах над поршнями при их положении в верхней мертвой точке и соединенные перепускными каналами с окнами камеры впуска и камеры выпуска, согласно изобретению, золотники связаны с поршнями при помощи штоков, а камеры установлены над рабочими поршнями через разделяющую перегородку.

Поставленная задача достигается также тем, что рабочие полости могут быть соединены между собой при помощи канала с образованием общей камеры сгорания для двух рабочих цилиндров, поршни совершают движение в одном направлении, при этом один цилиндр имеет впускные окна, а другой цилиндр - выпускные окна, либо цилиндры являются независимыми, рабочие поршни совершают встречное движение и работают в противофазе, при этом каждый цилиндр имеет впускные и выпускные окна.

Поставленная задача достигается также тем, что золотники могут быть выполнены прямоугольного сечения.

Поставленная задача в части третьего варианта достигается тем, что в поршневой машине, содержащей цилиндры, расположенные через разделяющую перегородку один над другим, у которых поршни цилиндров первого ряда связаны штоками с поршнями цилиндров второго ряда, а рабочий цилиндр выполнен сдвоенным и имеет впускные и выпускные окна и общую камеру сгорания, сообщающую его рабочие полости, которые расположены по обе стороны перегородки, согласно изобретению рабочие полости цилиндров первого ряда выполнены проточными и соединены со стороны входа и выхода газа с рабочими полостями цилиндров второго ряда, а впускные и выпускные окна цилиндров первого ряда выполнены в верхней части цилиндра над поршнем при его положении в верхней мертвой точке.

Поршневая машина в варианте выполнения по пунктам 1 и 2 формулы изобретения поясняется на фиг. 1-5 и имеет следующий перечень позиций: 1 - сдвоенный рабочий цилиндр; 2 - поршень левого цилиндра; 3 - поршень правого цилиндра; 4 - полость левого цилиндра; 5 - полость правого цилиндра; 6 - канал, соединяющий полости 4 и 5; 7 - впускное окно цилиндра 1; 8 - выпускное окно цилиндра I; 9 - камера впуска; 10 - камера выпуска; 11 - перегородка, разделяющая камеры; 12 - сальник перегородки; 13 - распределительный вал; 14 - подшипники вала 12; 15 - приводной шкив вала 12; 16 - золотниковый клапан камеры впуска; 17 - золотниковый клапан камеры выпуска; 18 - выпускное окно золотника 16; 19 - впускное окно золотника 17; 20 - прижимное седло золотника 16; 21 - окно седла 20; 22 - прижимное седло золотника 17; 23 - окно седла 22; 24 - упругая поджимная подушка седел 20 и 22; 25 - перепускной канал из камеры 9 в полость 5; 26 - перепускной канал из полости 4 в камеру 10; 27 - свеча зажигания или форсунка; 28 - нагнетатель; 29 - впускное окно камеры впуска; 30 - выпускное окно камеры выпуска; 31 - коленвал двигателя; 32 - кривошип; 33 - маслозаполненный картер механизма движения.

Двигатель имеет минимум два смежных взаимосвязанных рабочих цилиндра с общей камерой сгорания, у которых один цилиндр имеет впускные окна, а другой цилиндр имеет выпускные окна. Поршни цилиндров совершают движение в одном направлении. Принцип работы многоцилиндрового двигателя с четным количеством цилиндров не будет отличаться от двигателя, имеющего два смежных взаимосвязанных цилиндра, а поэтому для рассмотрения предложен двухцилиндровый двигатель.

Двигатель, показанный на фиг. 1, имеет два смежных взаимосвязанных цилиндра 1, в которых перемещаются поршни 2 и 3. Над поршнями 2 и 3 образованы полости 4 и 5 рабочих цилиндров, которые соединены между собой каналом 6. Два смежных соединенных между собой цилиндра можно рассматривать как один сдвоенный цилиндр, который имеет общую камеру сгорания и одну на два цилиндра свечу зажигания или форсунку для впрыска топлива 27. Двигатель имеет одну камеру впуска 9 и одну камеру выпуска 10. Через камеры 9 и 10 проходит проводной вал 13, установленный в подшипниках 14. На валу 13 жестко закреплены шкив 15, взаимодействующий с зубчатым ремнем или цепью, а также золотник 16 камеры впуска и золотник 17 камеры выпуска. На цилиндрической поверхности золотника 16 выполнено окно 18, а на поверхности золотника 17 - окно 19. К цилиндрической поверхности золотника 16 прижато седло 20, имеющее окно 21, а к цилиндрической поверхности золотника 17 прижато седло 22, имеющее окно 23. Прижатие седел 20 и 22 к золотникам 16 и 17 осуществляется упругими подушками или обычными подпружиненными подушками. Конструктивное выполнение поджимных седел может быть различным. В частности, седла могут быть выполнены из антифрикционных материалов, не требующих смазки, например на основе графитофторопласта. Камера впуска 9 имеет впускное окно 29, а камера выпуска 10 имеет выпускное окно 30. К камере впуска может быть подключен нагнетатель 28. К цилиндру 5 в варианте использования поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания подключена свеча зажигания 27 или форсунка для впрыска топлива.

Если бы цилиндры были не сдвоенными, пришлось бы иметь на каждый цилиндр одну камеру впуска и одну камеру выпуска. Соответственно на два цилиндра потребовалось бы использовать две камеры впуска и две камеры выпуска. Кроме того, помимо уменьшения количества камер сдвоенный цилиндр позволяет улучшить условия продувки двухтактного двигателя.

Принцип работы двигателя, показанного на фиг. 1: в результате вращения золотниковых клапанов обеспечивается периодическое совмещение окон 18 и 19 золотниковых клапанов соответственно с окнами 7 и 8 цилиндра 1. В зависимости от длины окон 18 и 19 по дуге окружности золотников и их размещения на цилиндрической поверхности золотников по углу поворота вала может быть реализована заданная диаграмма распределения жидкости или газа в зависимости от назначения поршневой машины.

Диаграммы фаз распределения жидкой или газообразной среды в зависимости от назначения поршневой машины показаны на фиг. 2, 3, 4 и 5.

Вариант четырехтактного двигателя имеет диаграмму газораспределения, показанную на фиг. 2.

Четырехтактный двигатель характеризуется тем, что у него полный цикл работы происходит за два оборота вала двигателя. Поэтому передаточное отношение по вращению от вала двигателя к валу газораспределительного механизма устанавливается как два к одному. Соответственно за два оборота вала золотниковые клапаны совершают один оборот. На диаграмме фаз газораспределения видно, что за один оборот золотника поршень два раза подходит к ВМТ и НМТ, а поворот вала двигателя на 180^o соответствует повороту золотникового клапана на 90^o. Показанное на фиг. 2 положение золотниковых клапанов по углу поворота вала соответствует положению поршня в НМТ. Вращение золотниковых клапанов происходит по часовой стрелке.

При переходе поршня от НМТ к ВМТ в камере выпуска происходит совмещение окна 20 седла с окном 16 золотника, которое имеет длину по дуге окружности 90^o. Это значит, что при проходе поршня от НМТ к ВМТ газ на всем ходе поршня поступает из полости цилиндра в камеру выпуска 8, а затем через окно 27 идет на выхлоп, т. е. происходит полная очистка цилиндра 1 от сгоревших газов. Одновременно золотник 13 камеры впуска 8 поворачивается на 90^o. При подходе поршня к ВМТ происходит закрытие окна 20 и прекращается выпуск газа из цилиндра. К этому моменту в камере впуска 7 окно 13 золотника 13 подходит к окну 18 седла 17. Происходит совмещение окон и при ходе поршня от ВМТ к НМТ осуществляется цикл всасывания, и газ из атмосферы или от нагнетателя 25 через окно 29 поступает в камеру впуска 7, а затем через окна 18 и 21, через канал 25 и окно 7 поступает в цилиндр 1. Цикл всасывания в цилиндр происходит на всем ходе поршня от ВМТ к НМТ, т.к. окно 18 имеет длину по дуге окружности золотника 90^o. При подходе поршня к НМТ окна 18 и 21 закрываются. Далее при ходе поршня от НМТ к ВМT происходит сжатие газа в цилиндре, т.к. все окна в цилиндре на этом ходе поршня находятся в закрытом состояние. В ВМТ поршня происходит принудительное воспламенение топливной смеси от свечи зажигания 27 или самовоспламенение при подаче топлива через форсунку 27. Газ при сгорании расширяется и происходит рабочий ход поршня от ВМТ к НМТ. При положении поршня в НМТ или несколько раньше совмещаются отверстия 19 и 23 в камере выпуска, и происходит выхлоп из цилиндра сгоревших газов и начинается очистка цилиндра за счет движения поршня от НМТ к ВМТ. Далее все циклы работы четырехтактного двигателя повторяются.

На фиг. 3 показана диаграмма фаз газораспределения при использовании поршневой машины в качестве двухтактного двигателя внутреннего сгорания (ДДВС). У ДДВС полный цикл работы происходит за один оборот вала двигателя. Поэтому вал двигателя и золотниковые клапаны должны вращаться синхронно. Рассматривается вариант, когда вращение вала двигателя идет по часовой стрелке. Показанное на фиг. 3 положение золотниковых клапанов по углу поворота вала соответствует положению поршня в HМT.

Из диаграммы видно, что в этом положении поршня окно 19 седла камеры выпуска открыто и продолжается выпуск из цилиндра сгоревших газов. При этом, т. к. общая длина окна 19 по дуге окружности на цилиндрической поверхности золотника 17 равна ₁+₂, из диаграммы видно, что выпуск выхлопных газов из цилиндра начался раньше до подхода поршня к НМТ на угол поворота вала ₂. После поворота вала золотникового клапана 17 на угол ₁ окно 21 седла 20 камеры впуска еще закрыто. При дальнейшем повороте золотникового клапана 17 на угол ₂, а золотникового клапана 16 на угол ₃ окна 23 и 21 будут открыты, и будет происходить продувка цилиндра свежим газом. После поворота золотникового клапана 17 на угол ₂, а золотникового клапана 16 на угол ₃ окно 23 закроется, выпуск газа из цилиндра прекратится и начнется заполнение цилиндра через окно 21 с избыточным давлением газа, которое может создать нагнетатель 28. Продолжительность заполнения цилиндра с избыточным давлением будет соответствовать времени поворота золотникового клапана 16 на угол ₄. Такое чередование открытия и закрытия впускных 21 и выпускных окон 23 позволяет обеспечить эффективную прямоточную продувку цилиндра в направление стрелки на фиг. 3 и осуществить заполнение цилиндра после закрытия окна 23 с избыточным давлением.

После заполнения цилиндра свежей порцией газа поршень продолжает движение от НМТ к ВМТ при закрытых окнах 21 и 23 и происходит процесс сжатия. В ВМТ происходит принудительное зажигание рабочей смеси от свечи или самовоспламенение при дизельном варианте и начинается расширение газа и рабочий ход поршня до начала открытия окна 23. Затем идет выпуск сгоревших газов продувка цилиндра и заполнение его с избыточным давлением, и процесс работы ДДВС повторяется.

На фиг. 4 показана диаграмма фаз газораспределения в случае использования поршневой машины в качестве поршневого компрессора (ПК) для сжатия газа или для отсоса газа и создания в системе вакуума (вакуумный компрессор).

Полный цикл работы ПК происходит за один оборот его вала. Поэтому вал ПК и золотниковые клапаны должны вращаться синхронно, для чего передаточное отношение по вращению от вала ПК к валу золотниковых клапанов принимается один к одному. Рассматривается вариант, когда вращение вала идет в направлении часовой стрелки. Показанное на фиг.4 положение золотниковых клапанов по углу поворота вала соответствует положению поршня в НМТ. Из диаграммы видно, что в этом положении золотниковых клапанов окна 21 и 18 закрыты. При движении поршня от НМТ к ВМТ и повороте золотникового клапана 16 на 180⁰ окно 21 остается закрытым на всем ходе поршня. При повороте золотникового клапана 17 окно 23 остается закрытым до тех пор, пока не начнется совмещение окон 19 и 23. За это время золотниковый клапан 17 повернется на угол 180-. В это время поршень идет к ВМТ и сжимает газ в цилиндре 1 на расчетную величину. Т. е. происходит процесс предварительного сжатия газа по принципу, который используется, например, в винтовых компрессорах. Величина предварительного сжатия является расчетной и выбирается такой, чтобы она соответствовала заданному давлению в системе, на которую будет работать ПК.

Величина предварительного сжатия является функцией степени сжатия газа, которая будет создана в цилиндре до открытия выпускного окна 23. При повороте золотникового клапана 17 на угол больше, чем 180-, начнется совмещение окон 19 и 23, и сжатый газ начнет выталкиваться в камеру выпуска и далее в систему, где должно быть такое же расчетное давление. Длительность выталкивания будет соответствовать времени поворота золотника 17 на угол , когда окно 23 закроется цилиндрической поверхностью золотникового клапана 17. Выталкивание сжатого газа из цилиндра закончится при подходе поршня к ВМТ. К этому моменту окно 18 золотникового клапана 16 подойдет к окну 21 и при движении поршня от ВМТ к НМТ начинается процесс всасывания газа в цилиндр, который будет продолжаться на всем ходе поршня до прихода его в НМТ. За это время золотниковый клапан 16 повернется на 180^o. После окончания цикла всасывания окно 21 закроется и поршень из НМТ пойдет к ВМТ, т.е. начнется сжатие газа, и весь цикл работы ПК будет повторяться.

В случае подключения к камере впуска 9 нагнетателя 28 производительность компрессора может быть поднята на величину, пропорциональную величине избыточного давления, которое будет создано перед впускным окном 7 цилиндра 1.

На фиг.5 показана диаграмма фаз распределения в случае использования поршневой машины в качестве поршневого насоса для перекачки жидкой несжимаемой среды. Полный цикл работы ПН происходит за один оборот его вала. Поэтому вал ПН и золотниковые клапаны должны вращаться синхронно, для чего передаточное отношение по вращению вала ПН к валу золотниковых клапанов принимается один к одному. Рассматривается вариант, когда вращение вала идет в направление часовой стрелки. Показанное на фиг.5 положение золотниковых клапанов по углу поворота вала соответствует положению поршня в НМТ.

Из диаграммы видно, что в этом положении поршня заканчивается открытие окна 21, т. е. закончится всасывание жидкой среды в цилиндр 1 и начинает открываться окно 23, а это значит, что начинается цикл выталкивания среды из цилиндра 1 в камеру выпуска 10. Дуга окружности окна 18 золотникового клапана 16 камеры впуска 9 и дуга окружности окна 19 золотникового клапана 17 камеры выпуска 10 равны 180⁰. Поэтому впуск жидкой среды в цилиндр 1 идет на всем насосном ходе поршня при его движении от ВМТ к НМТ.

Также выпуск жидкой среды из цилиндра 1 идет на всем выталкивающем ходе поршня при его движении от НМТ к ВМТ.

Предложенные варианты поршневой машины, которая может работать в качестве четырехтактного или двухтактного двигателя внутреннего сгорания, а также компрессора для сжатия газа или насоса для перекачки жидкой среды, имеют новую конструкцию распределительного механизма.

Если сравнивать предложенную поршневую машину в варианте четырехтактного двигателя с уже известными четырехтактными двигателями, у которых распределительный механизм включает в себя кулачковый распредвал, коромысла, подъемные клапаны, сальники и пружины, то можно отметить следующие преимущества предлагаемой конструкции: - повышается надежность и долговечность, т.к. отсутствует кулачковый распредвал сложной формы, который испытывает динамические пульсирующие нагрузки, подвержен износу и требует обильной смазки; - инерционные клапаны подъемного типа заменены безынерционными золотниковыми клапанами вращательного действия. В результате может быть увеличена скорость вращения двигателя и уменьшена его масса при заданной мощности; - снижен уровень шума газораспределительного механизма, т.к. он не испытывает динамических нагрузок из-за отсутствия кулачков и не требуется регулировка зазоров между клапанами и толкателями для компенсации величины износа трущихся поверхностей в процессе эксплуатации; - золотниковый клапан находится в более легких условиях работы и не требует притирки в процессе эксплуатации, т.к. седло является самоподжимным; - на привод золотниковых клапанов требуются меньшие затраты энергии, чем на привод подъемных клапанов с использованием кулачкового вала; - золотниковый клапан является полнопроходным и имеет меньшее газодинамическое сопротивление. Для полного открытия впускных и выпускных окон требуется меньший угол поворота вала, т.е. на всем цикле срабатывания они полностью открыты, а поэтому увеличиваются коэффициент заполнения цилиндра и мощность двигателя; - меньше вспомогательных деталей типа сальников, пружин.

Если сравнивать предложенную поршневую машину в варианте двухтактного двигателя с известными двухтактными двигателями, то можно отменить следующие преимущества: - после продувки цилиндра его заполнение производится при закрытых выпускных окнах, что позволяет при использовании надува получить коэффициент заполнения цилиндра больше единицы. В результате повышаются кпд и мощность двигателя; - на стенке цилиндра в нижней его части отсутствуют впускные и выпускные окна. В результате исключается унос картерного масла через окна, отпадает необходимость увеличения длины поршней и цилиндров. Могут быть использованы типовые блоки цилиндров и поршни от любого четырехтактного двигателя; - улучшается схема продувки цилиндра от остаточных газов, что повышает частоту выхлопных газов и экономичность двигателя; - уменьшается износ поршневых колец, т.к. они не перебегают впускные и выпускные окна, не требуется специальная фиксация поршневых колец на поршне от проворачивания; - четырехтактные двигатели могут переводиться на двухтактный цикл работы с минимальными затратами, т.к. остается без изменения конструкция блока цилиндров и поршней. Меняется только крышка цилиндра. При этом мощность двигателя увеличивается в два и более раз.

Если сравнивать предложенную поршневую машину в варианте компрессора с известными поршневыми компрессорами, то можно отметить следующие преимущества: - отсутствуют подъемные самодействующие клапаны с инерционными рабочими пластинами, которые по условиям надежности ограничивают скорость вращения компрессора. Предложенный вариант компрессора имеет безынерционные золотниковые клапаны и позволяет на порядок поднять скорость вращения компрессора, а следовательно, в несколько раз снизить его стоимость и массу при заданной производительности; - отсутствие самодействующих клапанов, имеющих ударные рабочие пластины, позволяет намного снизить уровень шума работы компрессора; - снижается сопротивление газового тракта, т.к. впускные и выпускные окна являются полнопроходными на всем цикле их открытия, что улучшает экономические показатели компрессора; - отсутствие самодействующих клапанов с рабочими пластинами подъемного действия позволяет использовать компрессор для сжатия загрязненных газов, т. к. золотниковые клапаны являются полнопроходными и самоочищающимися; - повышается надежность компрессора и облегчается его обслуживание в процессе эксплуатации, т.к. отсутствуют самодействующие клапаны, требующие частых ремонтов и замену рабочих пластин ударного действия; - отсутствие самодействующих клапанов и эффекта скобления их рабочих пластин о седло позволяет использовать компрессор для работы без смазки цилиндров, что позволяет его использовать во взрывоопасном производстве, не допускающем присутствие масла.

Преимущества поршневой машины в варианте поршневого насоса по сравнению с известными поршневыми насосами для перекачки жидкой среды: - отсутствие самодействующих клапанов или клапанов принудительного действия позволяет перекачивать жидкую среду с крупными фракциями твердых частей, т. к. исключается возможность попадания этих частиц между клапаном и седлом. Золотниковые клапаны являются самоочищающимися; - отсутствие клапанов ударного действия повышает надежность поршневого насоса и позволяет поднять его скорость вращения. В результате при заданной производительности снижаются габариты и масса насоса, а также его стоимость при изготовлении.

Если в поршневой машине при одном цилиндре требуется одна камера впуска и одна камера выпуска, то при наличии двух смежных цилиндров можно сократить количество камер, т.е. иметь вместо двух камер впуска и двух камер выпуска по одной камере впуска и выпуска, каждая из которых будет работать на два цилиндра.

Вариант выполнения поршневой машины по пунктам 1 и 3 формулы изобретения поясняется на фиг.6 и 7, которые имеют следующий перечень позиций: 1 - рабочий цилиндр левый; 2 - рабочий цилиндр правый; 3 - поршень цилиндра 1; 4 - поршень цилиндра 2; 5 - полость цилиндра 1; 6 - полость цилиндра 2; 7 - впускное окно цилиндра 1; 8 - выпускное окно цилиндра 1; 9 - впускное окно цилиндра 2; 10 - выпускное окно цилиндра 2; 11 - камера впуска; 12 - камера выпуска; 13 - перегородка, разделяющая камеры; 14 - сальник перегородки; 15 - приводной вал золотников; 16 - подшипники вала 15; 17 - шкив вала 15; 18 - золотниковый клапан камеры впуска правый; 19 - золотниковый клапан камеры впуска левый; 20 - золотниковый клапан камеры выпуска правый; 21 - золотниковый клапан камеры выпуска левый; 22 - выпускное окно золотника 18; 23 - выпускное окно золотника 19; 24 - впускное окно золотника 20; 25 - впускное окно золотника 21; 26 - прижимное седло золотника 18; 27 - окно седла 26; 28 - прижимное седло золотника 19; 29 - окно седла 28; 30 - прижимное седло золотника 20; 31 - окно седла 30; 32 - прижимное седло золотника 21; 33 - окно седла 32; 34 - упругая поджимная подушка седел; 35 - перепускной канал из камеры 11 в полость 6; 36 - перепускной канал из полости 6 в камеру 12; 37 - перепускной канал из камеры 11 в полость 5; 38 - перепускное канал из полости 5 в камеру 12; 39 - свеча зажигания или форсунка; 40 - нагнетатель; 41 - впускное окно камеры 11; 42 - выпускное окно камеры 12; 43 - коленвал двигателя; 44 - кривошип; 46 - маслозаполненный картер механизма движения.

Двухтактный двигатель по описываемому варианту содержит два смежных независимых друг от друга рабочих цилиндров, каждый из которых имеет свои впускные и выпускные окна, а их поршни совершают встречное движение и работают в противофазе по отношению друг к другу. При такой работе цилиндров появляется возможность иметь на два цилиндра одну камеру впуска и одну камеру выпуска. Двигатель может быть многоцилиндровым с четным количеством цилиндров, из которых каждые два смежных цилиндра имеют поршни, совершающие встречное движение. Принцип работы такого многоцилиндрового двигателя не будет отличаться от двигателя, имеющего два смежных цилиндра с поршнями, совершающими встречное движение, а поэтому принцип работы достаточно рассмотреть на примере двухцилиндрового двигателя.

Двигатель содержит левый рабочий цилиндр 1 и правый рабочий цилиндр 2, в которых перемещаются поршни 3 и 4. Каждый поршень связан со своим кривошипом 44. За счет смещения кривошипов поршней 3 и 4 по отношению друг к другу на 180^o по углу поворота вала поршни 3 и 4 совершают встречное движение и работают в противофазе друг к другу. Над поршнем 3 образована полость цилиндра 5, а над поршнем 4 - полость цилиндра 6. Цилиндр 2 имеет впускное окно 9 и выпускное окно 10. Цилиндр 1 имеет впускное окно 7 и выпускное окно 8. Цилиндры работают независимо друг от друга и каждый из них имеет свою свечу зажигания или форсунку для впрыска топлива 39 (в разрезе левого цилиндра свеча не показана).

Над цилиндром 2 установлена камера впуска 11, а над цилиндром 1 установлена камера выпуска 12. Камеры 11 и 12 изолированы друг от друга и разделены между собой перегородкой 13. В камере впуска 11 размещены два золотника 18 и 19, а в камере выпуска размещены два золотника 20 и 21. Золотники имеют привод по вращению от вала 15, который с помощью шкива 17 связан по вращению с валом двигателя 43. Передаточное отношение по вращению от вала двигателя к валу привода золотников для двухтактного двигателя, компрессора и насоса устанавливается один к одному, а для четырехтактного двигателя два к одному. Вариант двигателя на фиг. 6 и 7 отличается от варианта двигателя на фиг.1 тем, что в камере впуска и камере выпуска размещены по два золотника. В этом случае в камере впуска и камере выпуска каждый золотник работает на свой цилиндр.

Для удобства рассмотрения на фиг.6 зафиксирован момент, когда поршень левого цилиндра находится в ВМТ, а на фиг.7 после поворота вала двигателя на 180^o поршень левого цилиндра переходит в НМТ. Эти два положения поршней позволяют рассмотреть основные фазы работы двухтактного двигателя.

Принцип работы двигателя по описываемому варианту заключается в следующем.

При положении поршня 4 в НМТ (фиг.6) видно, что закончился рабочий ход поршня 4 и сгоревший газ из полости 6 через выпускное окно 10, перепускной канал 36, окно 31 и окно 24 поступает в камеру выпуска, а затем через окно 42 в атмосферу. Одновременно или с запаздыванием в зависимости от расположения окон 22 на цилиндрической поверхности золотника 18 и окон 24 на цилиндрической поверхности золотника 20 (см. фиг.3 диаграмму фаз газораспределения) газ от нагнетателя 40 через окно 41, окно 22, окно 27 и окно 9 поступает в полость 6 и выталкивает остатки сгоревших газов, т.е. идет продувка и заполнение цилиндра 2 свежим газом. Затем, когда поршень 4 пошел к ВМТ, при повороте золотников 18 и 20 окна 31 и 27 закрываются. В цилиндре 2 начинается сжатие газа, а в цилиндре 1 после загорания смеси газ расширяется, и поршень 3 начинает свой рабочий ход. После подхода поршня 3 к НМТ (фиг. 7) начинается продувка и заполнение цилиндра 1 так же, как это происходило в цилиндре 2. Т.е. цикл работы цилиндра 1 и 2 чередуется через 180^o угла поворота вала.

Во всех вариантах выполнения для обеспечения герметичности закрытия впускных и выпускных окон 9, 10, 7 и 8 цилиндров 1 и 2 в конструкции газового тракта от окон до золотников предусмотрена термостойкая упругая поджимная прокладка 34, которая установлена под седлами 32, 30, 28 и 26. В результате эти седла постоянно поджимаются к золотникам 20, 21, 19 и 18 и компенсируют возможный износ седел.

Предполагается, что кольцевые седла, контактирующие с цилиндрической поверхностью золотников, выполнены из термостойкого антифрикционного материала типа ф4к20, который не требует для своей работы в узлах трения дополнительной смазки. Для уменьшения износа седел и облегчения их работы окна золотников могут быть выполнены не сплошными, а в виде сетки или с перегородками, что легко выполнить при использовании современных технологий изготовления, например с применением лазерной прошивки металла. В вариантах, показанных на фиг.1, 6 и 7, рассмотрен принцип работы двухтактного двигателя, но конструктивно при соответствующем расположении окон 24, 25, 23 и 22 на цилиндрической поверхности золотников по углу поворота вала предлагаемая поршневая машина может работать и как четырехтактный двигатель, компрессор для сжатия и отсоса газа или насос для перекачки жидкости.

Преимущество использования золотников заключается в том, что они имеют цилиндрическую форму и при вращении вала не испытывают инерционных нагрузок, контакт окон золотников с окнами седел осуществляется без динамических нагрузок, возможный износ седел компенсируется за счет постоянного поджатия седел к золотникам упругими подкладками, которые стоят под седлами. Работа распределительных устройства происходит абсолютно бесшумно и не требуются какие-либо регулировки зазоров в процессе эксплуатации. В таком исполнении поршневая машина может работать с повышенной скоростью вращения, что позволяет значительно снизить массу поршневой машины при заданных параметрах мощности или производительности. Могут быть повышены экономические параметры поршневой машины, т.к. можно увеличить проходные сечения впускных и выпускных окон, что не вызывает никаких динамических и инерционных нагрузок на механизм газораспределения. В отличие от кулачкового принципа открытия клапанов подъемного действия окна раскрываются сразу на всю проходную площадь.

Если сравнивать поршневую машину в варианте компрессора по сравнению с компрессорами, имеющими самодействующие клапаны, испытывающие большие динамические нагрузки, поршневая машина, не имеющая самодействующих клапанов, может иметь скорость вращения на порядок выше, чем существующие компрессоры и по удельной массе на единицу производительности может конкурировать с винтовыми и центробежными клапанами, т.к. значительно экономичнее из-за отсутствия расчетных газовых зазоров и уменьшения утечек газа в обратном направлении, а также имеет меньшую стоимость изготовления. В результате винтовые и центробежные компрессоры по сравнению с предлагаемой конструкцией поршневого компрессора теряют свое основное преимущество - это отсутствие самодействующих клапанов.

В качестве ближайшего аналога по варианту, описанному в пунктах 4-7 для поршневой машины, используемой как двухтактный двигатель внутреннего сгорания (ДДВС), может рассматриваться ДДВС по патенту РФ [1].

Недостатки прототипа заключаются в следующем: - впускные и выпускные окна расположены на стенке цилиндра в его нижней части и периодически перекрываются поршнем при его движении. В результате возможен унос картерного масла через окна. Для уменьшения уно