Поршневая система с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями (варианты) и нагнетательный насос, в котором используется такая система

 

Поршневая система может быть использована для гидропневмонасоса вакуумного насоса и двигателя внутреннего сгорания. Поршневая система с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями включает в себя цилиндр, имеющий кольцеобразное и полое внутреннее пространство, множество поршней, из которых образованы первая и вторая группы, подлежащие попеременному размещению по одной и той же внутренней окружности цилиндра, при этом первая и вторая группы поршней совершают возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях по отношению друг к другу, множество впускных клапанов, установленных в каждой точке цилиндра, где сходятся два соседних поршня, и предназначенных для регулирования потока текучей среды, вводимой в них снаружи, и множество выпускных клапанов, установленных в каждой точке цилиндра, где сходятся два соседних поршня, и предназначенных для регулирования потока текучей среды, вытесняемой изнутри наружу. Уменьшается вибрация, шум, износ в процессе работы. 3 с. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Настоящее изобретение в целом относится к поршневой системе с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями и к нагнетательному насосу, в котором используется такая система. Более точно, оно относится к поршневой системе с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями, которая имеет множество поршней, попеременно расположенных по одной и той же внутренней окружности цилиндра системы, и при этом две соседние группы этих поршней поворачиваются в направлении вперед и поворачиваются в обратном направлении с одинаковой скоростью и в противоположном направлении по отношению друг к другу таким образом, что их равнодействующая сила становится равной нулю, что приводит к уменьшению вибрации, шума и эксцентрического (неравномерного по окружности) износа в процессе работы, тем самым гарантируется возможность получения имеющего малые размеры и легкого основного корпуса, обеспечения долговечности машины и высоких эксплуатационных характеристик. Кроме того, изобретение относится к гидропневмонасосу и вакуумному насосу, двигателю внутреннего сгорания, в которых используется такая система.

В различных насосах, вакуумных насосах двигателях внутреннего сгорания и т. д. использовалась поршневая система с совершающими прямолинейное возвратно-поступательное движение поршнями для сжатия или перемещения текучей среды. При использовании этой поршневой системы, в которой совершающие прямолинейное возвратно-поступательное движение поршни движутся в две стороны, невозможно избежать возникновения однонаправленной силы или силы реакции при изменении направления движения. Даже если эти силы скомпенсированы за счет размещения поршней в ряд, существует предел компенсации усилий поршней или их силы реакции, приложенной к основному корпусу и коленчатому валу в отдельном положении.

Из патентной литературы известна поршневая система совершающими возвратно-поворотное движение поршнями, содержащая цилиндр, имеющий кольцеобразное и полое внутреннее пространство, множество поршней, из которых образованы первая и вторая группы для попеременного размещения по одной и той же внутренней окружности цилиндра, при этом первая и вторая группы поршней совершают возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях по отношению друг к другу; множество впускных клапанов, установленных в каждой точке цилиндра, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вводимой в них снаружи цилиндра, и множество выпускных клапанов, установленных в каждой точке цилиндра, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вытесняемой изнутри наружу цилиндра (см. GB 1205584 А, 16.09.1970, F 01 С 9/00).

Из патентной литературы известен насос с возвратно-поворотным движением поршней, содержащий цилиндр, имеющий кольцеобразное и полое внутреннее пространство, множество поршней, из которых образованы первая и вторая группы для попеременного размещения по одной и той же внутренней окружности цилиндра, при этом первая и вторая группы поршней совершают возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях по отношению друг к другу, первая группа поршней, множество впускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вводимой в них снаружи цилиндра, множество выпускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вытесняемой изнутри цилиндра, и первое и второе приводные средства для обеспечения возвратно-поворотного движения первой и второй групп поршней вдоль заданной дуги внутри цилиндра (см. GB 1205594 А, 16.09.1970, F 01 C 9/00).

Поршневая система с совершающими прямолинейное возвратно-поступательное движение поршнями вызывает вибрацию и шум вследствие прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней. Кроме того, поскольку прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней, используемых в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, посредством коленчатого вала преобразуется во вращательное движение, равнодействующая сил, действующих на нижнюю часть каждого из поршней, соединенного с коленчатым валом, не равна нулю относительно оси прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней, что вызывает эксцентрический износ цилиндра и сокращает срок службы всей машины в целом. Чтобы обеспечить надежность корпуса машины, используют большую и жесткую деталь, что делает машину тяжелой.

Настоящее изобретение направлено на разработку усовершенствованной поршневой системы, которая позволяет в значительной степени устранить одну или более из проблем, возникающих из-за ограничений и недостатков обычных устройств по предшествующему техническому уровню.

Задачей настоящего изобретения является разработка поршневой системы с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями, которая имеет множество поршней, попеременно расположенных по одной и той же внутренней окружности цилиндра системы, при этом две соседние группы указанных поршней поворачиваются в направлении вперед и поворачиваются в обратном направлении с одинаковой скоростью и в противоположном направлении по отношению друг к другу таким образом, что их равнодействующая сила становится равной нулю, что приводит к уменьшению вибрации, шума и эксцентрического (неравномерного по окружности) износа в процессе работы, тем самым гарантируется возможность получения имеющего малые размеры и легкого основного корпуса, обеспечения долговечности машины и высоких эксплуатационных характеристик.

Другая задача настоящего изобретения состоит в разработке различных гидравлических и пневматических насосов и вакуумных насосов, двигателей внутреннего сгорания, в которых используется такая усовершенствованная поршневая система.

Для решения вышеуказанных задач в соответствии с настоящим изобретением разработана поршневая система с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями, содержащая цилиндр, имеющий кольцеобразное и полое внутреннее пространство и включающий в себя наружную цилиндрическую деталь, первый и второй кольцеобразные диски, каждый из которых присоединен к обеим сторонам наружной цилиндрической детали, третий и четвертый кольцеобразные диски, каждый из которых имеет наружную окружную поверхность, присоединенную к внутренней окружной поверхности каждого первого и второго кольцеобразного диска, и внутреннюю цилиндрическую деталь, присоединенную с возможностью поворота к внутренней окружной поверхности соответствующего третьего и четвертого кольцеобразных дисков, множество поршней, из которых образованы первая и вторая группы для попеременного размещения по внутренней поверхности наружной цилиндрической детали, при этом первая и вторая группы поршней совершают возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях по отношению друг к другу, причем первая группа поршней присоединена к третьему и четвертому кольцеобразным дискам, и вторая группа поршней присоединена к наружной поверхности внутренней цилиндрической детали, при этом первая и вторая группы поршней поворачиваются в противоположных направлениях в то время, когда указанные третий и четвертый кольцеобразные диски и внутренняя цилиндрическая деталь поворачиваются в противоположных направлениях друг относительно друга; множество впускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вводимой в них снаружи цилиндра, и множество выпускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вытесняемой изнутри наружу цилиндра.

Разработана также поршневая система с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями, содержащая цилиндр, имеющий кольцеобразное и полое внутреннее пространство и включающий в себя наружную цилиндрическую деталь, первый и второй кольцеобразные диски, каждый из которых присоединен к обеим сторонам наружной цилиндрической детали, и первую и вторую опорные детали для поршней, каждая из которых имеет соответствующий третий и четвертый кольцеобразные диски, каждый из которых имеет наружную окружную поверхность, присоединенную к внутренней окружной поверхности каждого первого и второго кольцеобразного диска, и первую и вторую внутренние цилиндрические детали, соответственно проходящие внутрь от третьего и четвертого кольцеобразных дисков; множество поршней, из которых образованы первая и вторая группы для попеременного размещения по внутренней поверхности наружной цилиндрической детали, при этом первая и вторая группы поршней совершают возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях по отношению друг к другу, причем первая группа поршней прикреплена к первой опорной детали для поршня, и вторая группа поршней прикреплена ко второй опорной детали для поршня, при этом первая и вторая группы поршней поворачиваются в противоположных направлениях в то время, когда первая и вторая опорные детали для поршней поворачиваются в противоположных направлениях друг относительно друга; множество впускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вводимой в них снаружи цилиндра, и множество выпускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вытесняемой изнутри наружу цилиндра.

Кроме того, в поршневой системе количество поршней в множестве составляет 2n, где n - положительная константа, превышающая 2.

Кроме того, в поршневой системе равнодействующая сила поворачивающихся поршней равна нулю.

Кроме того, поршневая система имеет симметричную конструкцию, сцентрированную относительно своей оси.

Кроме того, в поршневой системе внутреннее пространство каждого из множества поршней и цилиндра имеет одну из следующих форм: квадратную, овальную и круглую.

Кроме того, поршневая система дополнительно содержит первое и второе приводные средства для обеспечения возвратно-поворотного движения первой и второй групп поршней вдоль заданной дуги внутри цилиндра с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях друг относительно друга, при этом поршневая система образует одно из следующих устройств: гидронасос, пневмонасос и вакуумный насос.

Кроме того, поршневая система дополнительно содержит множество средств зажигания, каждое из которых установлено во множестве камер, образуемых при поворотах поршней для воспламенения смеси топлива и воздуха, введенной в каждую камеру через впускные клапаны, всякий раз, когда поршни приблизятся к заданным положениям; средство управления, предназначенное для управления множеством впускных клапанов, выпускных клапанов и средств зажигания для выполнения такта впуска смеси, такта сжатия смеси, такта расширения выхлопного газа, образованного при воспламенении смеси, и такта выпуска выхлопного газа последовательно во множество камер, первый и второй кривошипные механизмы, соответственно соединенные с первой и второй группами поршней, совершающих возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги внутри цилиндра с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях друг относительно друга за счет хода расширения выхлопного газа, с целью преобразования возвратно-поворотных движений во вращательные движения; и первое и второе зубчатые колеса, соединенные с кривошипными механизмами и предназначенные для образования одного крутящего момента путем объединения вращающих сил первого и второго кривошипных механизмов, действующих в противоположных направлениях, при этом указанная поршневая система образует двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для получения крутящего момента от вращающегося вала от одного из первого или второго зубчатого колеса, связанного с кривошипным механизмом.

Кроме того, в поршневой системе первое и второе приводные средства включают в себя средство для образования крутящего момента, первое зубчатое колесо, предназначенное для приведения в движение кривошипа и приводимое во вращение посредством крутящего момента, второе зубчатое колесо для приведения в движение кривошипа, находящееся в зацеплении с первым зубчатым колесом для приведения в движение кривошипа и вращающееся вместе с первым зубчатым колесом для приведения в движение кривошипа, и первый и второй кривошипные механизмы, предназначенные для того, чтобы заставить первую и вторую группы поршней совершать возвратно-поворотные движения вдоль заданной дуги внутри цилиндра при вращении первого и второго зубчатых колес, предназначенных для приведения в движение кривошипов.

Кроме того, в поршневой системе множество впускных клапанов и выпускных клапанов установлены в одном из следующих мест: на наружной поверхности, на левой и на правой сторонах цилиндра.

Также разработан гидропневмонасос с возвратно-поворотным движением поршней, содержащий цилиндр, имеющий кольцеобразное и полое внутреннее пространство и включающий в себя наружную цилиндрическую деталь, первый и второй кольцеобразные диски, каждый из которых присоединен к обеим сторонам наружной цилиндрической детали, третий и четвертый кольцеобразные диски, каждый из которых имеет наружную окружную поверхность, присоединенную к внутренней окружной поверхности каждого первого и второго кольцеобразного диска, и внутреннюю цилиндрическую деталь, присоединенную с возможностью поворота к внутренней окружной поверхности соответствующего третьего и четвертого кольцеобразных дисков, множество поршней, из которых образованы первая и вторая группы для попеременного размещения по внутренней окружности наружной цилиндрической детали, при этом первая и вторая группы поршней совершают возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях по отношению друг к другу, первая группа поршней присоединена к третьему и четвертому кольцеобразным дискам, и вторая группа поршней присоединена к наружной поверхности внутренней цилиндрической детали, при этом первая и вторая группы поршней поворачиваются в противоположных направлениях в то время, когда третий и четвертый кольцеобразные диски и внутренняя цилиндрическая деталь поворачиваются в противоположных направлениях друг относительно друга, множество впускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вводимой в них снаружи цилиндра, множество выпускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрическое детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вытесняемой изнутри цилиндра, и первое и второе приводные средства для обеспечения возвратно-поворотного движения первой и второй групп поршней вдоль заданной дуги внутри цилиндра.

Дополнительные преимущества, задачи и другие признаки изобретения будут частично приведены в нижеследующем описании и частично станут очевидными для обычных специалистов в данной области при изучении нижеследующих материалов или могут проявиться при практической реализации изобретения. Задачи и преимущества изобретения могут быть реализованы и решены, как особо указано в приложенной формуле изобретения.

Фиг. 1 представляет собой выполненное с пространственным разделением деталей перспективное изображение четырехцилиндровой поршневой системы с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями, образующей пневмонасос в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения; фиг.2 представляет собой перспективное изображение части узла по фиг.1, каждая из фиг. 3А и 3В представляет собой осевое сечение узла цилиндра (цилиндра в сборе) четырехцилиндровой поршневой системы в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления по фиг.1, и сечение (на фиг. 3В) выполнено по линии III-III на фиг.3А; фиг. 4 представляет собой выполненное с пространственным разделением деталей перспективное изображение четырехцилиндровой поршневой системы с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения; каждая из фиг. 5А и 5В представляет собой осевое сечение узла цилиндра (цилиндра в сборе) четырехцилиндровой поршневой системы в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления по фиг.4, и сечение (на фиг. 5В) выполнено по линии V-V на фиг.5А; фиг. 6А отображает рабочее состояние кривошипного механизма изобретенной четырехцилиндровой поршневой системы по стадиям; фиг. 6В отображает рабочее состояние устройства по настоящему изобретению, используемого для пневмонасоса, по стадиям; фиг. 6С отображает рабочее состояние устройства по настоящему изобретению, используемого для двигателя внутреннего сгорания.

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения станет очевидным при изучении нижеприведенного подробного описания, рассматриваемого совместно с сопровождающими чертежами.

Как показывают фиг. 1-3, четырехцилиндровая поршневая система с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями по первому предпочтительному варианту осуществления включает в себя цилиндр 3, образованный наружной цилиндрической деталью 3А и левым и правым кольцеобразными дисками 3С и 3В, которые присоединены к обеим сторонам наружной цилиндрической детали 3А.

Кольцеобразные диски 2А и 2В, каждый из которых имеет наружный диаметр, соответствующий внутреннему диаметру соответствующих кольцеобразных дисков 3С и 3В, расположены внутри цилиндра 3 центрально, и центры этих дисков совпадают с центральной осью X, и на кольцеобразных дисках 2А и 2В образованы внутренние цилиндрические детали 2С и 2D, образующие внутреннюю полость цилиндра 3 и проходящие внутрь цилиндра 3. На окружной поверхности каждой из внутренних цилиндрических деталей 2С и 2D неподвижно закреплена пара поршней 1А, 1В, 1C и 1D, причем их высота и ширина соответствуют наружной цилиндрической детали 3А цилиндра 3.

Первый и второй поршни 1А и 1В и третий и четвертый поршни 1C и 1D расположены относительно оси Х так, что они оказываются противолежащими друг другу, и они попеременно расположены с четырех сторон. Первый поршень 1А и второй поршень 1В поворачиваются внутри цилиндра 3 при повороте первой опорной детали 2 для поршней, и третий и четвертый поршни 1C и 1D поворачиваются при повороте второй опорной детали 20 для поршней.

Четыре впускных клапана 4А-4D и выпускных клапана 5A-5D установлены на цилиндрической детали 3А цилиндра 3 с интервалами по окружности, составляющими 90^o, и они находятся в каждой точке, где сходятся два соседних поршня, когда поршни с первого до четвертого 1A-1D одновременно совершают вращательное движение или поворот в обратном направлении на 90^o, то есть поворачиваются в противоположном направлении по отношению к соседнему поршню (фактически каждый из них поворачивается на угол, который меньше 90^o, на величину угла, соответствующего ширине поршня). На кольцеобразном диске 2А опорной детали 2 для поршней образованы первый и второй выступы 2Е и 2F, предназначенные для ограничения поворота и соответствующие поршням 1А и 1В. Соединительный палец 7В прикреплен к поршню 1В и первому выступу 2Е посредством болта, а другой конец пальца шарнирно соединен с одним концом шатуна 8D второго кривошипа 8В для преобразования возвратно-поворотных движений поршней 1А и 1В в однонаправленное вращательное движение или для преобразования однонаправленного вращательного движения в возвратно-поворотные движения поршней 1А и 1В.

Соединительный вал 6 вставлен с возможностью поворота во внутреннюю полость каждой внутренней цилиндрической детали 2С и 2D, и на одном конце вала 6 предусмотрены третий и четвертый выступы 6А и 6В для ограничения поворота, которые чередуются с первым и вторым выступами 2Е и 2F. На другом конце соединительного вала 6 образованы пятый и шестой выступы 6С и 6D, соответствующие поршням 1C и 1D и проходящие на такую же длину, что и третий и четвертый выступы 6А и 6В. Поршни 1C и 1D и пятый и шестой выступы 6С и 6D соединительного вала 6 прикреплены друг к другу с помощью соединительных пальцев 7С и 7D и болтов. В действительности соединительный вал 6 представляет собой одну деталь, и он разделен на две детали (на чертеже) для более подробного описания.

Третий выступ 6А присоединен к одному концу соединительного пальца 7А, и другой конец соединительного пальца 7А шарнирно присоединен к шатуну 8С первого кривошипа 8А для того, чтобы обеспечить или преобразование возвратно-поворотных движений каждого поршня 1C и 1D в однонаправленное вращательное движение, или преобразование однонаправленного вращательного движения в возвратно-поворотные движения каждого поршня 1C и 1D.

Когда первый кривошип 8А поворачивается против часовой стрелки, соединительный палец 7А, третий выступ 6А, соединительный вал 6 и шестой выступ 6D также поворачиваются против часовой стрелки, так что опорная деталь 20 для поршней и поршни 1C и 1D также поворачиваются против часовой стрелки.

Первое и второе зубчатые колеса 9А и 9В, связанные с кривошипными механизмами, присоединены в осевом направлении к первому и второму кривошипам 8А и 8В, имеют одинаковый диаметр и находятся в зацеплении друг с другом. Таким образом, если первое зубчатое колесо 9А, связанное с кривошипным механизмом, поворачивается против часовой стрелки, второе зубчатое колесо 9В, связанное с кривошипным механизмом, поворачивается по часовой стрелке. Следовательно, когда первое зубчатое колесо 9А, связанное с кривошипным механизмом, поворачивается против часовой стрелки, поршни 1C и 1D поворачиваются против часовой стрелки, и второе зубчатое колесо 9В, связанное с кривошипным механизмом, поворачивается по часовой стрелке, так что поршни 1А и 1В также поворачиваются по часовой стрелке. То есть поршни 1А и 1В все время поворачиваются вперед или назад в противоположном направлении по отношению к поршням 1C и 1D.

Когда вращающая сила, создаваемая двигателем и т.п., воздействует на первое зубчатое колесо 9А, связанное с кривошипным механизмом, и осуществляется надлежащее управление впускными клапанами 4A-4D и выпускными клапанами 5A-5D, соединенными с резервуаром для сжатия, этот первый предпочтительный вариант осуществления образует пневматический насос (насос для нагнетания воздуха). В этом случае поверхность контакта между опорными деталями 2 и 20 для поршней, поверхность контакта между опорной деталью 2 для поршней и правым кольцеобразным диском 3А и другая поверхность контакта между опорной деталью 20 для поршней и левым кольцеобразным диском 3С должны быть обработаны с высокой точностью для образования уплотнения так, чтобы поршни 1A-1D, расположенные с возможностью поворота внутри цилиндра 3, имеющего форму трубы квадратного сечения, делили внутреннюю полость цилиндра 3 на четыре герметичные камеры СН1-СН4. Для уменьшения трения между соседними элементами и для обеспечения плавного поворота предпочтительно используется множество подшипников, которые опущены для удобства.

Фиг. 4 представляет собой выполненное с пространственным разделением деталей перспективное изображение четырехцилиндровой поршневой системы с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, и этот вариант осуществления изобретения отличается от первого предпочтительного варианта осуществления механизмом для обеспечения опоры и приведения в движение поршней 1A-1D.

Первый и второй поршни 1А и 1В надежно вставлены во внутренние канавки 11А, 11В и 12А, 12В первой и второй опорных деталей 2 и 20 для поршней, а третий и четвертый поршни 1C и 1D непосредственно присоединены к наружной окружной поверхности соединительного вала 6, образующего внутреннюю цилиндрическую деталь.

Первый кривошип 8А соединен с третьим выступом 6А, выступающим от одной стороны соединительного вала 6, посредством шатуна 8С и соединительного пальца 7А, и второй кривошип 8В соединен с первым выступом 2Е, выступающим от одной стороны первой опорной детали 2 для поршней, посредством шатуна 8D и соединительного пальца 7В.

Цилиндр 3 или зубчатые колеса 9А и 9В, соединенные с кривошипными механизмами, по второму предпочтительному варианту осуществления выполнены такими же, как и соответствующие элементы по первому предпочтительному варианту осуществления. Такая четырехцилиндровая поршневая система с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями по второму варианту осуществления настоящего изобретения имеет более простую конструкцию по сравнению с первым вариантом осуществления, и что касается механизма приведения поршней в движение, то в отличие от первого предпочтительного варианта осуществления первая и вторая опорные детали 2 и 20 для поршней поворачиваются в одном и том же направлении. За исключением этого остальные элементы механизма приведения поршней в движение в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления выполнены так же, как в первом предпочтительном варианте осуществления, поэтому их описание будет опущено.

В соответствии с признаками второго предпочтительного варианта осуществления центр поворота соответствующих поворачивающихся деталей может сходиться в одной точке, и отсутствует необходимость в использовании дополнительных противовесов для поддержания уравновешенности, в результате чего уменьшается общий вес системы.

Далее со ссылкой на фиг.6 полно описана работа изобретенной четырехцилиндровой поршневой системы.

Фиг. 6А отображает рабочее состояние кривошипного механизма изобретенной четырехцилиндровой поршневой системы по стадиям (шагам); фиг. 6В отображает рабочее состояние устройства по настоящему изобретению, используемого для пневмонасоса, по стадиям; и фиг. 6С отображает рабочее состояние устройства по настоящему изобретению, используемого для двигателя внутреннего сгорания.

Сначала со ссылкой на фиг.6А и 6В будет описана работа системы по настоящему изобретению, применяемой для пневмонасоса.

На первой стадии прекращается поворот поршней 1A-1D, и направление их поворота изменяется на правое/левое. На этой стадии соответствующие камеры СН1 и СН3 имеют минимальный внутренний объем, и соответствующие камеры СН2 и СН4 имеют максимальный внутренний объем, и эта стадия представляет собой стадию изменения направления поворота, когда воздух внутри камер СН1-СН4 перестает проходить.

Каждый из впускных клапанов 4A-4D и выпускных клапанов 5A-5D всех камер СН1-СН4 находится в закрытом состоянии, и соответствующие шатуны 8С и 8D находятся в верхней мертвой точке.

На второй стадии, когда извне на зубчатое колесо 9А или 9В, связанное с кривошипным механизмом, действует сила, вызывающая вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки, поршни 1А и 1В поворачиваются по часовой стрелке, и поршни 1C и 1D поворачиваются против часовой стрелки, и объем камер СН2 и СН4 уменьшается, так что находящийся внутри воздух выходит наружу через выпускные клапаны 5В и 5D. Объем камер СН1 и СН3 увеличивается, так что воздух снаружи вводится во внутреннюю полость через впускные клапаны 4А и 4С.

На третьей стадии шатуны 8С и 8D достигают нижней мертвой точки при повороте зубчатых колес 9А и 9В, связанных с кривошипными механизмами, и прекращается поворот поршней 1A-1D, и направление их поворота изменяется на правое/левое. В отличие от первой стадии камеры СН1 и СН3 имеют максимальный внутренний объем, и камеры СН2 и СН4 имеют минимальный внутренний объем, и находящийся внутри воздух перестает проходить. В этом случае каждый из впускных клапанов 4A-4D и выпускных клапанов 5A-5D всех камер СН1-СН4 находится в закрытом состоянии.

На четвертой стадии в отличие от второй стадии поршни 1А и 1В поворачиваются против часовой стрелки, а поршни 1C и 1D поворачиваются по часовой стрелке, и объем камер СН2 и СН4 увеличивается, так что воздух, находящийся снаружи, вводится в эти камеры через впускные клапаны 4В и 4D, при этом объем камер СН1 и СН3 уменьшается, так что находящийся внутри воздух выходит наружу через выпускные клапаны 5А и 5С.

Пятая стадия показывает, что после того, как кривошипный механизм завершит один оборот, он возвращается к первой стадии.

Что касается траектории движения каждого поршня, то поршень 1А совершает возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги в третьей четверти торцевой рабочей поверхности, второй поршень 1В, третий поршень 1C и четвертый поршень 1D совершают возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги одинаковой длины соответственно в первой четверти, четвертой четверти и второй четверти торцевой рабочей поверхности.

Применение настоящего изобретения для двигателя внутреннего сгорания описано ниже со ссылкой на фиг.6А и 6С. В каждой камере СН1-СН4 должны быть предусмотрены первая-четвертая свечи зажигания (непоказанные) для воспламенения взрывчатой смеси топлива и воздуха.

На первой стадии поршни 1А и 1C находятся под действием толкающего усилия, действующего в обе стороны и возникающего из-за давления газа, созданного во время хода воспламенения, когда посредством третьей свечи зажигания осуществляется воспламенение смеси в третьей камере СН3, и газ в третьей камере СН3 расширяется. В результате объем первой камеры СН1 увеличивается, и в ней начинается ход впуска для приема смеси из впускного коллектора через впускной клапан 4А. Напротив, объем второй и четвертой камер СН3 и СН4 уменьшается, и во второй камере СН2 начинается такт выпуска для вытеснения выхлопного газа наружу через выпускной клапан 5В в выпускной коллектор, в то время как в четвертой камере СН4 начинается такт сжатия принятой смеси.

На второй стадии газ в третьей камере СН3 расширяется, а в первой камере СН1, второй камере СН2 и четвертой камере СН4 продолжается выполнение соответственно тактов впуска, выпуска и сжатия.

На третьей стадии в том случае, если происходит воспламенение (вспышка) за счет зажигания смеси в четвертой камере СН4, в которой сжатие закончено, имеет место выталкивание поршней 1В и 1C в обе стороны за счет давления газа, как и на первой стадии, и в первой камере СН1, второй камере СН2 и третьей камере СН3 соответственно начинаются такты сжатия, впуска и выпуска.

На четвертой стадии в первой камере СН1, второй камере СН2 и третьей камере СН3 соответственно продолжаются такты сжатия, впуска и выпуска за счет давления газа в четвертой камере СН4.

На пятой стадии происходит воспламенение в первой камере СН1 и во второй камере СН2, третьей камере СН3 и четвертой камере СН4 соответственно начинаются такты сжатия, впуска и выпуска.

Как описано выше, предпочтительный вариант осуществления, показанный на фиг. 6, представляет собой четырехцилиндровый и четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

В соответствии с работой кривошипа четырехцилиндрового и четырехтактного двигателя (вторая стадия на фиг.6С) первый и третий поршни 1А и 1C выталкиваются вправо/влево за счет давления газа, созданного благодаря воспламенению взрывчатой смеси, и первый и третий выступы 2Е и 6А в отличие от работы насоса поворачиваются соответственно по часовой стрелке и против часовой стрелки. В результате каждая из сил, вызывающих поворот по часовой стрелке и против часовой стрелки, действует на второй и первый шатуны 8D и 8С через соединительные пальцы 7В и 7А. Следовательно, поскольку первое и второе зубчатые колеса 9А и 9В, соединенные с первым и вторым кривошипами, поворачиваются против часовой стрелки и по часовой стрелке, получают крутящий момент от вращающегося вала первого или второго зубчатого колеса 9А или 9В, соединенного с кривошипом.

В этом случае элементы первого кривошипного механизма 8А расположены напротив элементов второго кривошипного механизма 8В, и указанные элементы действуют в противоположных направлениях, так что создаваемые ими вибрации компенсируются, в результате чего механическая вибрация сводится к минимуму.

В первом и втором предпочтительных вариантах осуществления показана квадратная внутренняя полость цилиндра и квадратное сечение поршня, и форма указанной полости и сечения не ограничена квадратной, но может быть использована круглая или многоугольная форма.

В описанных выше предпочтительных вариантах осуществления все четыре впускных клапана 4A-4D и выпускных клапана 5A-5D расположены с интервалами 90^o на наружной цилиндрической детали 3А, и они могут быть установлены на левом и правом кольцеобразных дисках 3С и 3В.

Как описано выше, в настоящем изобретении множество поршней расположено на одной и той же окружной торцевой поверхности, и соседние поршни из указанного множества постоянно поворачиваются с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях, в результате чего в значительной степени предотвращается деформация элементов системы. Кривошипные механизмы и другие элементы по изобретению установлены симметрично для компенсации воздействующих сил и сил реакции, создаваемых при движении соответствующих элементов, и для того, чтобы сделать результирующую силу поршней, действующую между механизмами для приведения поршней в действие, равной нулю, что позволяет уменьшить вибрацию и шум.

Кроме того, поскольку в соответствии с конструкцией по настоящему изобретению такие основные элементы, как цилиндр, опорные детали для поршней, поршни, создают опору друг для друга с обеспечением концентричности при повороте, то предотвращается образование зазора между соседними элементами и уменьшается эксцентрический (неравномерный по окружности) износ, в результате чего увеличивается срок службы машины. По сравнению с обычной многоцилиндровой поршневой системой, имеющей элементы, расположенные в поперечном направлении, изобретенная поршневая система имеет меньший размер и позволяет уменьшить жесткость каждого элемента, в результате чего гарантируется получение легкой по весу машины.

Согласно второму предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения по фиг.4 может быть изготовлена поршневая система с цилиндрическим основным корпусом, имеющим следующие параметры: диаметр - 22 см, ширина поршня - 7 см и рабочий объем - 1500 см³. Соответственно если сравнивать это с обычным блоком цилиндров для пневмонасоса или двигателя внутреннего сгорания, то можно увидеть большую разницу между устройством по настоящему изобретению и обычным устройством по размерам и рабочему объему.

Описанные выше предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения относятся к поршневой системе, гидронасосу, пневмонасосу, вакуумному насосу и двигателю внутреннего сгорания и могут быть модифицированы различным образом в рамкам идеи и объема настоящего изобретения. Например, конструкция пневмонасоса может быть прямо использована для гидронасоса, и вакуумный насос получают путем подсоединения деталей, подлежащих вакуумированию, к впускным клапанам, в этом состоит отличие от пневмонасоса.

Описанные выше предпочтительные варианты осуществления относятся к четырехцилиндровой поршневой системе, но в соответствии с настоящим изобретением могут быть легко изготовлены шести-, восьми-, десятицилиндровые поршневые системы, поскольку количество поршней составляет 2n (n равно положительной константе, превышающей два) и может быть больше четырех. Например, в том случае, когда поршневая система имеет шесть поршней, они образуют две группы по три поршня в каждой и соединены с кривошипными механизмами таким образом, чтобы можно было обеспечить поворот соседних поршней в противоположных направлениях друг относительно друга.

В вышеописанных предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения поршни, число которых нечетное, разделены на две группы, и два кривошипа приводят их в движение в противоположных направлениях по отношению друг к другу, но в изобретении можно применить любые кривошипные механизмы, которые способны обеспечить приведение поршней из двух групп в движение в противоположных направлениях. Кроме того, в вышеуказанных вариантах осуществления отображена одна поршневая система, но рабочий объем может быть увеличен путем установки таких поршневых систем параллельно.

Настоящее изобретение применимо для поршневой системы с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями и для гидронасоса, пневмонасоса, вакуумного насоса и двигателя внутреннего сгорания, в которых используется такая система.

При наличии полного описания изобретения для обычного специалиста в данной области очевидно, что могут быть выполнены множество изменений и модификаций изобретения, не отходя от идеи и объема приложенной формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Поршневая система с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями, содержащая цилиндр, имеющий кольцеобразное и полое внутреннее пространство и включающий в себя наружную цилиндрическую деталь, первый и второй кольцеобразные диски, каждый из которых присоединен к обеим сторонам наружной цилиндрической детали, третий и четвертый кольцеобразные диски, каждый из которых имеет наружную окружную поверхность, присоединенную к внутренней окружной поверхности каждого первого и второго кольцеобразного диска, и внутреннюю цилиндрическую деталь, присоединенную с возможностью поворота к внутренней окружной поверхности соответствующего третьего и четвертого кольцеобразных дисков, множество поршней, из которых образованы первая и вторая группы для попеременного размещения по внутренней поверхности наружной цилиндрической детали, при этом первая и вторая группы поршней совершают возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях по отношению друг к другу, причем первая группа поршней присоединена к третьему и четвертому кольцеобразным дискам, и вторая группа поршней присоединена к наружной поверхности внутренней цилиндрической детали, при этом первая и вторая группы поршней поворачиваются в противоположных направлениях в то время, когда указанные третий и четвертый кольцеобразные диски и внутренняя цилиндрическая деталь поворачиваются в противоположных направлениях друг относительно друга, множество впускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вводимой в них снаружи цилиндра, и множество выпускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вытесняемой изнутри наружу цилиндра.

2. Поршневая система с совершающими возвратно-поворотное движение поршнями, содержащая цилиндр, имеющий кольцеобразное и полое внутреннее пространство и включающий в себя наружную цилиндрическую деталь, первый и второй кольцеобразные диски, каждый из которых присоединен к обеим сторонам наружной цилиндрической детали, и первую и вторую опорные детали для поршней, каждая из которых имеет соответствующий третий и четвертый кольцеобразные диски, каждый из которых имеет наружную окружную поверхность, присоединенную к внутренней окружной поверхности каждого первого и второго кольцеобразного диска, и первую и вторую внутренние цилиндрические детали, соответственно проходящие внутрь от третьего и четвертого кольцеобразных дисков, множество поршней, из которых образованы первая и вторая группы для попеременного размещения по внутренней поверхности наружной цилиндрической детали, при этом первая и вторая группы поршней совершают возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях по отношению друг к другу, причем первая группа поршней прикреплена к первой опорной детали для поршня, и вторая группа поршней прикреплена ко второй опорной детали для поршня, при этом первая и вторая группы поршней поворачиваются в противоположных направлениях в то время, когда первая и вторая опорные детали для поршней поворачиваются в противоположных направлениях друг относительно друга, множество впускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вводимой в них снаружи цилиндра, и множество выпускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вытесняемой изнутри наружу цилиндра.

3. Поршневая система по п. 1, в которой количество поршней в множестве составляет 2n, где n - положительная константа, превышающая 2.

4. Поршневая система по п. 1, в которой равнодействующая сила поворачивающихся поршней равна нулю.

5. Поршневая система по п. 1, в которой поршневая система имеет симметричную конструкцию, сцентрированную относительно своей оси.

6. Поршневая система по п. 1, в которой внутреннее пространство каждого из множества поршней и цилиндра имеет одну из следующих форм: квадратную, овальную и круглую.

7. Поршневая система по любому из пп. 1, 3, 4, 5 или 6, дополнительно содержащая первое и второе приводные средства для обеспечения возвратно-поворотного движения первой и второй групп поршней вдоль заданной дуги внутри цилиндра с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях друг относительно друга, при этом поршневая система образует одно из следующих устройств: гидронасос, пневмонасос и вакуумный насос.

8. Поршневая система по любому из пп. 1, 3, 4, 5 или 6, дополнительно содержащая множество средств зажигания, каждое из которых установлено во множестве камер, образуемых при поворотах поршней для воспламенения смеси топлива и воздуха, введенной в каждую камеру через впускные клапаны, всякий раз, когда поршни приблизятся к заданным положениям, средство управления, предназначенное для управления множеством впускных клапанов, выпускных клапанов и средств зажигания для выполнения такта впуска смеси, такта сжатия смеси, такта расширения выхлопного газа, образованного при воспламенении смеси, и такта выпуска выхлопного газа последовательно во множество камер, первый и второй кривошипные механизмы, соответственно соединенные с первой и второй группами поршней, совершающих возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги внутри цилиндра с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях друг относительно друга за счет хода расширения выхлопного газа, с целью преобразования возвратно-поворотных движений во вращательные движения, и первое и второе зубчатые колеса, соединенные с кривошипными механизмами и предназначенные для образования одного крутящего момента путем объединения вращающих сил первого и второго кривошипных механизмов, действующих в противоположных направлениях, при этом указанная поршневая система образует двигатель внутреннего сгорания, предназначенный для получения крутящего момента от вращающегося вала от одного из первого или второго зубчатого колеса, связанного с кривошипным механизмом.

9. Поршневая система по п. 7, в которой первое и второе приводные средства включают в себя средство для образования крутящего момента, первое зубчатое колесо, предназначенное для приведения в движение кривошипа и приводимое во вращение посредством крутящего момента, второе зубчатое колесо для приведения в движение кривошипа, находящееся в зацеплении с первым зубчатым колесом для приведения в движение кривошипа и вращающееся вместе с первым зубчатым колесом для приведения в движение кривошипа, и первый и второй кривошипные механизмы, предназначенные для того, чтобы заставить первую и вторую группы поршней совершать возвратно-поворотные движения вдоль заданной дуги внутри цилиндра при вращении первого и второго зубчатых колес, предназначенных для приведения в движение кривошипов.

10. Поршневая система по любому из пп. 1, 3, 4, 5 или 6, в которой множество впускных клапанов и выпускных клапанов установлены в одном из следующих мест: на наружной поверхности, на левой и на правой сторонах цилиндра.

11. Гидропневмонасос с возвратно-поворотным движением поршней, содержащий цилиндр, имеющий кольцеобразное и полое внутреннее пространство и включающий в себя наружную цилиндрическую деталь, первый и второй кольцеобразные диски, каждый из которых присоединен к обеим сторонам наружной цилиндрической детали, третий и четвертый кольцеобразные диски, каждый из которых имеет наружную окружную поверхность, присоединенную к внутренней окружной поверхности каждого первого и второго кольцеобразного диска, и внутреннюю цилиндрическую деталь, присоединенную с возможностью поворота к внутренней окружной поверхности соответствующего третьего и четвертого кольцеобразных дисков, множество поршней, из которых образованы первая и вторая группы для попеременного размещения по внутренней окружности наружной цилиндрической детали, при этом первая и вторая группы поршней совершают возвратно-поворотное движение вдоль заданной дуги с одинаковой скоростью и в противоположных направлениях по отношению друг к другу, первая группа поршней присоединена к третьему и четвертому кольцеобразным дискам, и вторая группа поршней присоединена к наружной поверхности внутренней цилиндрической детали, при этом первая и вторая группы поршней поворачиваются в противоположных направлениях в то время, когда третий и четвертый кольцеобразные диски и внутренняя цилиндрическая деталь поворачиваются в противоположных направлениях друг относительно друга, множество впускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вводимой в них снаружи цилиндра, множество выпускных клапанов, установленных в каждой точке наружной цилиндрической детали, где сходятся два соседних поршня, для регулирования потока текучей среды, вытесняемой изнутри цилиндра, и первое и второе приводные средства для обеспечения возвратно-поворотного движения первой и второй групп поршней вдоль заданной дуги внутри цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9