RU2578776C1

RU2578776C1 - Method of operating volumetric action machine and device therefor

Info

Publication number: RU2578776C1
Application number: RU2015112262/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Евгеньевич Щерба; Александр Павлович Болштянский; Диана Анатольевна Кузеева; Евгений Юрьевич Носов; Сергей Юрьевич Кайгородов
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2016-03-27

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to piston-type displacement machines and can be used in making high-efficiency piston machines of low and medium capacity with independent liquid cooling system. Method of operation consists in alternating suction and injection of gas by varying the volume inside the cylinder. Cylinder is flown by coolant. Case is connected with environment with piston in upper and lower dead points. Piston machine comprises cylinder 1 with fluid jacket 2 mounted on partially filled with liquid case 3 with a drive mechanism connected with piston 7, working chamber 8, suction chamber 9 and discharge chamber 10, suction valve 11 and delivery valve 12. Jacket 2 is connected with the lower part of case 3 through check valves 13 and 14, channel 15, tank 16 with float 17 and 18 channel, channel 19. Lower part of cylinder 1 forms with case 3 total volume of 20, which is connected to atmosphere with piston in upper (TDC) and lower (NBW) dead points: through hole (21) in the position of TDC and through valve (22) to control element (23) in the position at BDC.

EFFECT: reduced costs for operation of cooling system, higher efficiency and machine efficiency.

11 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области машин объемного действия поршневого типа и может быть использовано при создании высокоэффективных поршневых машин малой и средней производительности с автономной жидкостной системой охлаждения.The invention relates to the field of piston-type volumetric machines and can be used to create highly efficient piston machines of small and medium capacity with an autonomous liquid cooling system.

Известен способ работы поршневой машины объемного действия, заключающийся в попеременном всасывании и нагнетании газа путем изменения объема рабочей полости цилиндра, при котором цилиндр обтекается охлаждающей жидкостью (см., например, кн. Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин. Поршневые компрессоры, 1987 г., стр. 184-185, рис. 6.32).A known method of operation of a volumetric reciprocating machine, which consists in alternately sucking and pumping gas by changing the volume of the working cavity of the cylinder, in which the cylinder flows around the coolant (see, for example, Prince BS Fotin, IB Pirumov, I. K. Prilutsky, PI Plastinin, Piston Compressors, 1987, pp. 184-185, Fig. 6.32).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ работы поршневой машины объемного действия, заключающийся в попеременном всасывании и нагнетании газа путем изменения объема рабочей полости цилиндра, при котором цилиндр обтекается охлаждающей жидкостью, движущейся по объему рубашки охлаждения цилиндра, перепад давления для движения которой создается изменением объема картера за счет возвратно-поступательного движения поршня (см. патент РФ на полезную модель №125635, МПК F04B 19/06, опубл. 10.03.2013).Closest to the claimed technical solution is the method of operation of a volumetric piston machine, which consists in alternately sucking and pumping gas by changing the volume of the working cavity of the cylinder, in which the cylinder is flowed around with cooling fluid moving along the volume of the cylinder cooling jacket, the pressure drop for which is created by the change in volume the crankcase due to the reciprocating motion of the piston (see RF patent for utility model No. 125635, IPC F04B 19/06, publ. 03/10/2013).

Недостатком известных способов и устройств для их осуществления является большая работа, затрачиваемая на перекачку жидкости по рубашке охлаждения, т.к. для создания достаточного перепада давления для движения жидкости по рубашке охлаждения необходимо поддерживать в картере машины высокий уровень жидкости, что влечет за собой потери на трение при ее перемешивании механизмом привода. Кроме того, при перемешивании жидкости в присутствии над ней слоя газа происходит поглощение жидкостью этого газа и ее теплопроводность снижается. Все это вместе взятое снижает эффективность работы системы охлаждения и снижает КПД машины.A disadvantage of the known methods and devices for their implementation is a lot of work spent on pumping fluid through the cooling jacket, because to create a sufficient pressure drop for the movement of fluid along the cooling jacket, it is necessary to maintain a high level of fluid in the crankcase of the machine, which entails friction losses when it is mixed by the drive mechanism. In addition, when the liquid is stirred in the presence of a gas layer above it, the liquid absorbs this gas and its thermal conductivity decreases. All this taken together reduces the efficiency of the cooling system and reduces the efficiency of the machine.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы системы охлаждения за счет уменьшения работы, затрачиваемой на перемещение в ней охлаждающей жидкости.The objective of the invention is to increase the efficiency of the cooling system by reducing the work required to move the coolant in it.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе работы поршневой машины объемного действия, заключающемся в попеременном всасывании и нагнетании газа путем изменения объема рабочей полости цилиндра, при котором цилиндр обтекается охлаждающей жидкостью, которая движется по объему рубашки охлаждения цилиндра и перепад давления для движения которой создается изменением объема картера за счет возвратно-поступательного движения поршня, согласно предлагаемому изобретению картер машины объемного действия соединяют с окружающей средой при положении поршня в верхней и нижней мертвых точках положения поршня при его возвратно-поступательном движении.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of operation of a volumetric piston machine, which consists in alternately sucking and pumping gas by changing the volume of the working cavity of the cylinder, in which the cylinder flows around the coolant that moves along the volume of the cylinder cooling jacket and the pressure drop for which is created by changing the crankcase volume due to the reciprocating motion of the piston, according to the invention, the crankcase of a volumetric machine is connected to the surrounding ayuschey medium at a position of the piston at the top and bottom dead points of the piston position during its reciprocating motion.

Указанный технический результат в части устройства для осуществления предлагаемого способа достигается тем, что поршневая машина, содержащая цилиндр с жидкостной рубашкой, установленный на частично заполненном жидкостью картере с механизмом привода, соединенным с поршнем, размещенным в цилиндре с образованием рабочей полости, соединенной с источником и потребителем газа через полости всасывания и нагнетания и газораспределительные органы, причем жидкостная рубашка соединена с источником охлаждающей жидкости, а нижняя часть цилиндра образует с картером общий объем, согласно заявляемому изобретению поршневая машина снабжена устройством, соединяющим упомянутый общий объем с окружающей средой при положении поршня в верхней и нижней мертвых точках.The specified technical result in terms of the device for implementing the proposed method is achieved by the fact that the piston machine containing a cylinder with a liquid jacket mounted on a partially filled with a crankcase with a drive mechanism connected to the piston placed in the cylinder with the formation of the working cavity connected to the source and consumer gas through the suction and discharge cavities and gas distribution bodies, the liquid jacket being connected to a source of coolant, and the lower part of the cylinder and forms with the crankcase a total volume, according to the claimed invention, the piston machine is equipped with a device connecting the said total volume with the environment when the piston is in the upper and lower dead points.

Устройство, соединяющее общий объем с окружающей средой при положении поршня в верхней мертвой точке, может быть выполнено в виде, по крайней мере, одного отверстия в стенке цилиндра ниже юбки поршня при положении последнего в верхней мертвой точке, а устройство, соединяющее общий объем с окружающей средой при положении поршня в нижней мертвой точке, может быть выполнено в виде, по крайней мере, одного клапана с управляющим элементом, входящим в контакт с юбкой поршня при его положении в нижней мертвой точке.A device connecting the total volume to the environment when the piston is at top dead center can be made in the form of at least one hole in the cylinder wall below the piston skirt when the latter is at the top dead center, and a device connecting the total volume to the environment medium when the piston is at bottom dead center, it can be made in the form of at least one valve with a control element that comes into contact with the piston skirt when it is at bottom dead center.

Устройство, соединяющее общий объем с окружающей средой при положении поршня в верхней и/или в нижней мертвых точках, может быть выполнено в виде золотника, установленного на одной из опорных шеек коленчатого вала.A device connecting the total volume with the environment when the piston is in the upper and / or lower dead center can be made in the form of a spool mounted on one of the supporting necks of the crankshaft.

Жидкостная рубашка может быть соединена с внутренней поверхностью цилиндра, по крайней мере, одним отверстием, расположенным выше соприкасающейся с поверхностью цилиндра наружной поверхности поршня, находящегося в положении нижней мертвой точки, и при этом поршень может иметь на днище круговую фаску.The liquid jacket may be connected to the inner surface of the cylinder by at least one hole located above the outer surface of the piston in contact with the cylinder surface, which is in the position of bottom dead center, and the piston may have a circular bevel on the bottom.

Машина объемного действия может иметь в качестве источника жидкости дополнительную емкость, частично заполненную охлаждающей жидкостью, соединенную в своей верхней части каналом с общим объемом цилиндра и картера, и при этом верхняя часть жидкостной рубашки соединяется каналом с полостью всасывания машины.A volumetric machine may have an additional capacity as a source of liquid, partially filled with coolant, connected in its upper part by a channel to the total volume of the cylinder and the crankcase, and the upper part of the liquid jacket is connected by a channel to the suction cavity of the machine.

Жидкостная рубашка может быть соединена с дополнительной емкостью через два канала, и при этом дополнительная емкость разделена на две части перегородкой с отверстием вверху и просветом внизу, причем каждый из этих двух каналов входит в одну из частей дополнительной емкости и содержит, как минимум, по одному гидродиоду, имеющему противоположно направленные диодности.The liquid jacket can be connected to the additional tank through two channels, and the additional tank is divided into two parts by a partition with a hole at the top and a gap at the bottom, each of these two channels being part of one of the parts of the additional tank and contains at least one a hydrodiode having oppositely directed diodes.

Нижняя часть жидкостной рубашки может быть соединена каналом с одной частью дополнительной емкости, и при этом верхняя часть рубашки соединена со входом в распределитель потоков, один выход которого соединен через прямой клапан и канал с полостью всасывания машины, а другой - через обратный клапан и канал - со второй частью дополнительной емкости.The lower part of the liquid jacket can be connected by a channel to one part of the additional tank, and the upper part of the jacket is connected to the entrance to the flow distributor, one outlet of which is connected through the direct valve and channel to the suction cavity of the machine, and the other through the check valve and channel - with the second part of additional capacity.

Нижняя часть жидкостной рубашки может быть соединена каналом с одной частью дополнительной емкости, а верхняя часть рубашки соединена каналом с первым входным отверстием делителя потоков, выполненного в виде трех отверстий, лежащих в одной плоскости, причем два входных отверстия пересекаются под острым углом, а ось третьего выходного отверстия является биссектрисой упомянутого острого угла, и это третье отверстие соединено со всасывающей полостью машины, а второе входное отверстие соединено со второй частью дополнительной емкости.The lower part of the liquid jacket can be connected by a channel to one part of the additional capacity, and the upper part of the jacket is connected by a channel to the first inlet of the flow divider, made in the form of three holes lying in the same plane, the two inlet openings intersecting at an acute angle, and the axis of the third the outlet is the bisector of said acute angle, and this third hole is connected to the suction cavity of the machine, and the second inlet is connected to the second part of the additional container.

Сущность изобретения поясняется на примере конструктивных вариантов поршневого компрессора.The invention is illustrated by the example of structural variants of a reciprocating compressor.

На фиг. 1-3 изображен поршневой компрессор с гладким щелевым уплотнением поршня, в котором соединение общего объема с окружающей средой в мертвых точках положения поршня осуществляется через отверстие в стенке цилиндра и через клапан, с которым контактирует юбка поршня при его положении в мертвых точках. Охлаждение цилиндра производится жидкостью, находящейся в картере. На фиг. 2 поршень находится в верхней мертвой точке, на фиг. 3 - в нижней мертвой точке.In FIG. 1-3 shows a piston compressor with a smooth piston seal in which the total volume is connected to the environment at the dead points of the piston position through a hole in the cylinder wall and through the valve with which the piston skirt contacts when it is at dead points. The cylinder is cooled by the fluid in the crankcase. In FIG. 2, the piston is at top dead center, in FIG. 3 - at bottom dead center.

На фиг. 4 показан конструктивный вариант компрессора, верх жидкостной рубашки которого соединен каналом с полостью всасывания, а охлаждающая жидкость находится в дополнительной емкости.In FIG. 4 shows a structural embodiment of the compressor, the top of the liquid jacket of which is connected by a channel to the suction cavity, and the coolant is in an additional container.

На фиг. 5 изображен такой же вариант, как на фиг. 4, с разделенной перегородкой дополнительной емкостью и гидродиодами в каналах подвода охлаждающей жидкости к нижней части рубашки охлаждения.In FIG. 5 shows the same embodiment as in FIG. 4, with a divided partition additional capacity and hydrodiodes in the channels for supplying coolant to the bottom of the cooling jacket.

На фиг. 6 показан вариант компрессора, в котором для организации кругового движения жидкости используется распределитель потоков с клапанами.In FIG. 6 shows an embodiment of a compressor in which a flow distributor with valves is used to arrange the fluid in a circular motion.

На фиг. 7 изображена конструктивная схема компрессора, в котором соединение общего объема с окружающей средой производится с помощью золотника, а круговое движение жидкости организовано с помощью гидродиодов.In FIG. 7 shows a structural diagram of a compressor in which the connection of the total volume with the environment is made using a slide valve, and the circular motion of the liquid is organized using hydrodiodes.

Поршневой компрессор (фиг. 1-3) содержит цилиндр 1 с жидкостной рубашкой 2, установленный на частично заполненном жидкостью картере 3 с механизмом привода, состоящим из коленчатого вала 4 с кривошипа 5 и шатуна 6, соединенного с поршнем 7, размещенным в цилиндре с образованием рабочей полости 8, соединенной с источником и потребителем газа через полости всасывания 9 и нагнетания 10 и газораспределительные органы - всасывающий клапан 11 и нагнетательный клапан 12.The piston compressor (Figs. 1-3) comprises a cylinder 1 with a liquid jacket 2 mounted on a partially filled liquid housing 3 with a drive mechanism consisting of a crankshaft 4 with a crank 5 and a connecting rod 6 connected to a piston 7 placed in the cylinder to form the working cavity 8, connected to the source and consumer of gas through the suction cavity 9 and discharge 10 and gas distribution bodies - the suction valve 11 and the discharge valve 12.

Жидкостная рубашка 2 соединена с источником охлаждающей жидкости, функцию которого в данном варианте конструкции выполняет нижняя часть картера 3, через обратные клапаны 13 и 14, прямой канал 15, соединенный с промежуточным бачком 16 с поплавком 17 и канал 18, а также обратный канал 19. Каналы 15 и 18 выполнены в виде теплообменников с оребрением. Нижняя часть цилиндра 1 образует с полостью картера 3 общий объем 20, который соединен с окружающей средой (атмосферой) при положении поршня в верхней (ВМТ) и нижней (НМТ) мертвых точках: через отверстие 21 (в положении ВМТ) и через клапан 22 (в положении НМТ).The liquid jacket 2 is connected to a source of coolant, the function of which in this design variant is performed by the lower part of the crankcase 3, through check valves 13 and 14, a direct channel 15 connected to an intermediate tank 16 with a float 17 and channel 18, as well as a return channel 19. Channels 15 and 18 are made in the form of heat exchangers with fins. The lower part of the cylinder 1 forms a total volume 20 with the crankcase 3, which is connected to the environment (atmosphere) when the piston is at the top (TDC) and bottom (BDC) dead points: through the hole 21 (in the TDC position) and through the valve 22 ( in the position of the BDC).

Клапан 22 имеет управляющий элемент, выполненный в виде упругой пластины 23, с которой поршень 7 контактирует своей юбкой при положении в НМТ. Рубашка 2 соединена с внутренней поверхностью цилиндра 1 через отверстия 24, равномерно расположенные по окружности цилиндра 1. Поршень 7 имеет гладкую наружную поверхность, размещен в цилиндре 1 с минимальным зазором (гладкое щелевое уплотнение) и имеет на днище круговую фаску 25.The valve 22 has a control element made in the form of an elastic plate 23, with which the piston 7 is in contact with its skirt at a position in the BDC. The shirt 2 is connected to the inner surface of the cylinder 1 through holes 24, evenly spaced around the circumference of the cylinder 1. The piston 7 has a smooth outer surface, is placed in the cylinder 1 with a minimum clearance (smooth gap seal) and has a circular bevel 25 on the bottom.

Отверстие 24 расположено вдоль цилиндра 1 с таким расчетом, что оно оказывается выше соприкасающейся с поверхностью цилиндра 1 наружной поверхности поршня 7, находящегося в положении НМТ.The hole 24 is located along the cylinder 1 so that it is higher in contact with the surface of the cylinder 1 of the outer surface of the piston 7, which is in the position of the BDC.

В компрессоре, изображенном на фиг. 4, используется контактное уплотнение без смазки поршня 7 за счет применения поршневых колец 26 и направляющего башмака 27 из самосмазывающихся композитов (например, Ф4К20, Ф4К15М5 и др.). В этом варианте поршневая машина (компрессор) имеет в качестве источника жидкости дополнительную емкость 28, частично заполненную охлаждающей жидкостью и соединенную в своей верхней части каналом 29 с общим объемом 20 цилиндра 1 и картера 3. При этом верхняя часть жидкостной рубашки 2 соединена каналом 30, выполненным в виде теплообменника, с полостью 9 всасывания компрессора. В канале 30 находится поплавок 31, предотвращающий попадание охлаждающей жидкости в полость всасывания 9 и далее в рабочую полость 8. Канал 30 изображен условно «коротким». Реально он представляет собой горизонтально расположенную трубку с оребрением, изогнутую в виде «змейки» с вертикально изогнутым к полости 9 концом, в восходящей петле которой и расположен поплавок 31.In the compressor of FIG. 4, a contact seal is used without lubricating the piston 7 due to the use of piston rings 26 and a guide shoe 27 made of self-lubricating composites (for example, Ф4К20, Ф4К15М5, etc.). In this embodiment, the piston machine (compressor) has an additional capacity 28 as a fluid source, partially filled with coolant and connected in its upper part by a channel 29 with a total volume of 20 cylinder 1 and crankcase 3. In this case, the upper part of the liquid jacket 2 is connected by a channel 30, made in the form of a heat exchanger, with a compressor suction cavity 9. In the channel 30 there is a float 31, which prevents the coolant from entering the suction cavity 9 and then into the working cavity 8. The channel 30 is conventionally shown as “short”. In reality, it is a horizontally located tube with fins, curved in the form of a “snake” with an end vertically curved towards the cavity 9, in the ascending loop of which the float 31 is located.

В машине, изображенной на фиг. 5, жидкостная рубашка 2 соединена с дополнительной емкостью 28 через канал 15 и два канала 32 и 33, и при этом емкость 28 разделена на две части перегородкой 34 с отверстием 35 вверху и просветом 36 внизу. Канал 32 входит в часть 37 емкости 28, а канал 33 - в часть 38 этой же емкости. Каждый из этих двух каналов содержит группу последовательно установленных гидродиодов 39, и группы этих гидродиодов имеют противоположно направленные диодности, то есть гидродиоды 39, установленные в части 37 емкости 28, хорошо пропускают жидкость вниз (по рисунку) и оказывают большое гидравлическое сопротивление потоку жидкости, двигающемуся вверх. Гидродиоды, установленные в части 38 емкости 28, оказывают противоположное действие. Установка гидродиодов на разных ветвях канала 15 в отдельных частях емкости 28 способствует перемешиванию жидкости и улучшению теплообмена с окружающей средой, для чего, в частности, емкость 28 снабжена ребрами.In the machine of FIG. 5, the liquid jacket 2 is connected to an additional container 28 through a channel 15 and two channels 32 and 33, and the container 28 is divided into two by a partition 34 with an opening 35 at the top and a clearance 36 at the bottom. Channel 32 is included in part 37 of the tank 28, and channel 33 is in part 38 of the same tank. Each of these two channels contains a group of serially mounted hydrodiodes 39, and the groups of these hydrodiodes have oppositely directed diodes, that is, the hydrodiodes 39 installed in part 37 of the tank 28 pass the liquid well downward (as shown) and have great hydraulic resistance to the fluid flow moving up. The hydrodiodes installed in part 38 of the tank 28 have the opposite effect. The installation of hydrodiodes on different branches of the channel 15 in separate parts of the tank 28 helps to mix the liquid and improve heat transfer with the environment, for which, in particular, the tank 28 is equipped with ribs.

В компрессоре, изображенном на фиг. 6, нижняя часть жидкостной рубашки 2 соединена каналом 40 с одной частью 37 дополнительной емкости 28, а верхняя часть рубашки 2 соединена каналом 41 со входом в распределитель потоков 42, один выход которого соединен через прямой клапан 43 и канал 30 с полостью всасывания 9, а другой - через обратный клапан 44 и канал 45, выполненный в виде теплообменника, - со второй частью 38 дополнительной емкости 28. В данной конструкции клапаны 43 и 44 изготовлены в виде одной гибкой пластины, перекрывающей в исходном состоянии каналы 41 и 45.In the compressor of FIG. 6, the lower part of the liquid jacket 2 is connected by a channel 40 to one part 37 of the additional capacity 28, and the upper part of the jacket 2 is connected by a channel 41 to the inlet of the flow distributor 42, one outlet of which is connected through a direct valve 43 and channel 30 to the suction cavity 9, and the other through the check valve 44 and the channel 45, made in the form of a heat exchanger, with the second part 38 of the additional tank 28. In this design, the valves 43 and 44 are made in the form of one flexible plate that overlaps the channels 41 and 45 in the initial state.

На фиг. 7 показана конструктивная схема машины, в которой нижняя часть жидкостной рубашки 2 соединена каналом 40 с частью 37 дополнительной емкости 28 через канал 40 с группой гидродиодов 32, а верхняя часть рубашки 2 соединена каналом 41 с первым входным отверстием 46 делителя потоков 47, выполненного в виде корпуса с тремя отверстиями, лежащими в одной плоскости, причем два входных отверстия - первое 46 и второе 48 пересекаются под острым углом, а ось третьего выходного отверстия 49 является биссектрисой упомянутого острого угла, и это третье отверстие 49 соединено через канал 30 со всасывающей полостью 9, а второе входное отверстие 48 соединено с частью 38 дополнительной емкости 28 через группу гидродиодов 33. Диодности групп гидродиодов 32 и 33 направлены друг против друга.In FIG. 7 shows a structural diagram of a machine in which the lower part of the liquid jacket 2 is connected by a channel 40 with a part 37 of an additional tank 28 through a channel 40 with a group of hydrodiodes 32, and the upper part of the jacket 2 is connected by a channel 41 with the first inlet 46 of the flow divider 47, made in the form case with three holes lying in the same plane, and two inlet openings - the first 46 and second 48 intersect at an acute angle, and the axis of the third outlet 49 is the bisector of the said acute angle, and this third hole 49 is connected ineno through the channel 30 with the suction cavity 9, and the second inlet 48 is connected to the part 38 of the additional capacity 28 through a group of hydrodiodes 33. The diodes of the groups of hydrodiodes 32 and 33 are directed against each other.

В этом примере устройство, соединяющее общий объем 20 с окружающей средой при положении поршня 7 в ВМТ и в НМТ, выполнено в виде золотника 50, установленного на опорной шейке 51 коленчатого вала 4 (практически - стержень золотника 50 является продолжением опорной шейки 51). Золотник 50 имеет две лыски 52 и 53, которые с помощью отверстия 54 и канала 55 соединяют полость 20 с окружающей средой при положении поршня 7 в ВМТ и НМТ.In this example, the device connecting the total volume 20 with the environment when the piston 7 is in the TDC and in the BDC is made in the form of a spool 50 mounted on the support neck 51 of the crankshaft 4 (practically, the spool rod 50 is a continuation of the support neck 51). The spool 50 has two flats 52 and 53, which through the hole 54 and the channel 55 connect the cavity 20 to the environment when the piston 7 is in TDC and BDC.

Далее совокупность отверстий, каналов и полостей, заполненных жидкостью, будет называться системой охлаждения, а направление движения жидкости и газа показано соответственно заштрихованными и незаштрихованными стрелками на всех чертежах.Further, the set of openings, channels and cavities filled with liquid will be called a cooling system, and the direction of movement of the liquid and gas is shown by shaded and unshaded arrows in all the drawings, respectively.

Машина объемного действия работает следующим образом (фиг. 1-3).A volumetric machine operates as follows (Fig. 1-3).

При вращении коленчатого вала 4 с кривошипом 5 происходит возвратно-поступательное движение поршня 7, в результате чего изменяется объем полости 8 и газ всасывается через полость 9 и клапан 11 в полость 8, сжимается в ней и подается потребителю через клапан 12 и полость 10.When the crankshaft 4 is rotated with the crank 5, the reciprocating movement of the piston 7 occurs, as a result of which the volume of the cavity 8 changes and the gas is sucked through the cavity 9 and the valve 11 into the cavity 8, compressed in it and supplied to the consumer through the valve 12 and the cavity 10.

При ходе поршня 7 из положения НМТ в положение ВМТ (снизу вверх, фиг. 2) объем полости 20 увеличивается и давление в ней падает ниже атмосферного, в результате чего клапан 13 закрывается, а клапан 14 открывается и охлаждающая жидкость (в данном случае в качестве охлаждающей жидкости используется масло, находящееся в нижней части картера 3) из бачка 16 через рубашку 2 (при этом она охлаждает цилиндр 1), канал 19 и клапан 14 сливается обратно в картер 3, охлаждаясь в канале 19, передавая отнятую у цилиндра 1 теплоту в окружающую среду. При достижении ВМТ поршень 7 открывает отверстие 21 и соединяет полость 20 с атмосферой, из которой воздух поступает в полость 20, в результате чего давление в ней поднимается до атмосферного.When the piston 7 moves from the BDC to the BDC position (bottom to top, Fig. 2), the volume of the cavity 20 increases and the pressure in it drops below atmospheric, as a result of which the valve 13 closes and the valve 14 opens and the coolant (in this case, as the coolant uses oil located in the lower part of the crankcase 3) from the tank 16 through the jacket 2 (while it cools the cylinder 1), the channel 19 and the valve 14 are drained back into the crankcase 3, cooling in the channel 19, transferring the heat taken from the cylinder 1 to environment. Upon reaching TDC, the piston 7 opens the hole 21 and connects the cavity 20 with the atmosphere, from which air enters the cavity 20, as a result of which the pressure in it rises to atmospheric.

При ходе поршня 7 вниз (фиг. 3) он сначала перекрывает отверстие 21, отсекая полость 20 от атмосферы, а затем сжимает в ней газ. В результате повышения давления в полости 20 выше атмосферного клапан 14 закрывается и открывается клапан 13, через который жидкость из нижней части полости картера 3 поступает в бачок 16 через канал 15, дополнительно охлаждаясь в этом канале и отдавая в окружающую среду теплоту, отнятую от механизма привода, который нагревается в результате трения. При приходе поршня 7 в положение НМТ он своей юбкой, воздействуя на упругую пластину 23, открывает клапан 22, сообщая полость 20 с атмосферой, в результате чего в полости 20 восстанавливается атмосферное давление. При этом положении поршня 7 вскрываются отверстия 24 и жидкость (масло) истекает из рубашки 2 в зону фаски 25, равномерно распределяясь в ней и проникая в зазор между поршнем 7 и зеркалом цилиндра 1, что необходимо для смазки поршня 7 и уплотнения зазора между ним и зеркалом цилиндра 1 в ходе сжатия-нагнетания, в течение которого смазка стекает обратно в нижнюю часть картера 3. В дальнейшем цикл работы повторяется. Поплавок 17 служит для контроля наличия жидкости в системе охлаждения цилиндра 1 и для контроля работы этой системы.When the piston 7 moves downward (Fig. 3), it first closes the hole 21, cutting off the cavity 20 from the atmosphere, and then compresses the gas in it. As a result of the increase in pressure in the cavity 20 above the atmospheric valve 14, the valve 13 closes and opens, through which liquid from the lower part of the cavity of the crankcase 3 enters the tank 16 through the channel 15, additionally cooling in this channel and giving off heat to the environment taken from the drive mechanism which heats up as a result of friction. When the piston 7 arrives at the BDC position, with its skirt, acting on the elastic plate 23, opens the valve 22, communicating the cavity 20 with the atmosphere, as a result of which atmospheric pressure is restored in the cavity 20. With this position of the piston 7, holes 24 open and liquid (oil) flows out of the shirt 2 into the zone of the bevel 25, evenly distributed in it and penetrating into the gap between the piston 7 and the mirror of the cylinder 1, which is necessary for lubricating the piston 7 and sealing the gap between it and the mirror of the cylinder 1 during compression-injection, during which the lubricant flows back to the lower part of the crankcase 3. In the future, the operation cycle is repeated. The float 17 serves to control the presence of fluid in the cooling system of the cylinder 1 and to control the operation of this system.

Конструкция, изображенная на фиг. 4, работает аналогично вышеописанной в части изменения давления волости 20 и работы отверстия 21 и клапана 22. Здесь поршень снабжен самосмазывающимся уплотнением 26 и направляющим башмаком 27 и не нуждается в смазке, а питание системы охлаждения осуществляется из емкости 28, частично заполненной охлаждающей жидкостью, например дистиллированной водой, и соединенной через отверстие 26 с полостью 20, в связи с чем и полость 20, и объем емкости 28 представляют собой единый объем, изменяющийся при возвратно-поступательном движении поршня 7.The construction shown in FIG. 4, operates similarly to the above in terms of changing the pressure of the volost 20 and the operation of the hole 21 and valve 22. Here the piston is equipped with a self-lubricating seal 26 and a guide shoe 27 and does not need lubrication, and the cooling system is supplied from a container 28 partially filled with coolant, for example distilled water, and connected through the hole 26 with the cavity 20, and therefore the cavity 20 and the volume of the tank 28 are a single volume that changes with the reciprocating movement of the piston 7.

Повышение давления в этом едином объеме происходит при ходе поршня вниз, когда идет процесс всасывания, и давление в полости 9 становится ниже атмосферного. В связи с этим жидкость, находящаяся в системе охлаждения на ходе всасывания, оказывается под перепадом давления между единым объемом емкости 28 с полостью 20 (больше атмосферного) и полостью 9 (меньше атмосферного), в результате чего она из емкости 28 по каналу 15, рубашке 2 и каналу 30 движется вверх. Объем канала 30 рассчитан таким образом, чтобы жидкость не попадала в нисходящую его ветвь и не проникала в полость 9 и далее через клапан 11 в полость 8. Для предотвращения случайного превышения уровня жидкости в канале 30 служит поплавок 31, который перекрывает горизонтальную часть канала 30 при слишком высоком уровне жидкости.The increase in pressure in this single volume occurs when the piston moves down, when the suction process is in progress, and the pressure in the cavity 9 becomes lower than atmospheric. In this regard, the liquid in the cooling system during suction is under a pressure differential between a single volume of the tank 28 with a cavity of 20 (more than atmospheric) and a cavity of 9 (less than atmospheric), as a result of which it is from the tank 28 through channel 15, the jacket 2 and channel 30 moves up. The volume of the channel 30 is designed so that the liquid does not fall into its descending branch and does not penetrate the cavity 9 and then through the valve 11 into the cavity 8. To prevent accidental excess of the liquid level in the channel 30, a float 31 is used, which blocks the horizontal part of the channel 30 at too high fluid level.

На ходе сжатия-нагнетания, когда поршень 7 идет вверх, давление в полости 9 при закрытом клапане 11 становится равным давлению всасывания (атмосферному давлению), и в связи с разрежением в едином объеме полости 20 и полости емкости 28 на жидкость в системе охлаждения начинает действовать перепад давления между атмосферой (в полости 9) и в упомянутом едином объеме (ниже атмосферного). Под действием этого перепада давления, а также под действием гравитационных сил (канал 30 расположен выше емкости 28) жидкость движется в сторону емкости 28.During compression-injection, when the piston 7 goes up, the pressure in the cavity 9 with the valve 11 closed becomes equal to the suction pressure (atmospheric pressure), and due to the rarefaction in the same volume of the cavity 20 and the cavity of the tank 28, the liquid in the cooling system begins to act the pressure difference between the atmosphere (in cavity 9) and in the aforementioned single volume (below atmospheric). Under the influence of this pressure drop, as well as under the influence of gravitational forces (channel 30 is located above the tank 28), the fluid moves towards the tank 28.

Таким образом, при возвратно-поступательном движении поршня 7 жидкость в системе охлаждения цилиндра 1 совершает движение вверх и вниз, интенсифицируя процесс охлаждения цилиндра 1 за счет увеличения коэффициента теплоотдачи, величина которого пропорциональна скорости движения жидкости.Thus, during the reciprocating movement of the piston 7, the liquid in the cooling system of the cylinder 1 moves up and down, intensifying the cooling process of the cylinder 1 by increasing the heat transfer coefficient, the magnitude of which is proportional to the speed of the liquid.

В машине, изображенной на фиг. 5 и работающей аналогично вышеописанной на фиг. 4 конструкции, с целью повышения количества отнятой у цилиндра 1 теплоты, за счет применения разнонаправленных гидродиодов 39, установленных в каналах 32 и 33, а также перегородки 34 с отверстием 35 и просветом 36, происходит перемешивание жидкости. При ходе жидкости вверх ее большее количество течет по каналу 33 из части 38 емкости 28 и меньшее - по каналу 32 из части 37 емкости 28. В результате появляется разность уровней в частях 37 и 38 и жидкость перетекает из части 37 в часть 38, за счет чего происходит постоянное перемешивание жидкости во всей системе охлаждения.In the machine of FIG. 5 and operating similarly to that described in FIG. 4 of the structure, in order to increase the amount of heat taken from the cylinder 1, due to the use of multidirectional hydrodiodes 39 installed in the channels 32 and 33, as well as the baffle 34 with the hole 35 and the lumen 36, the liquid is mixed. When the liquid moves upward, more of it flows through the channel 33 from part 38 of the tank 28 and a smaller one through the channel 32 from part 37 of the tank 28. As a result, a level difference appears in parts 37 and 38 and the liquid flows from part 37 to part 38, due to which is the constant mixing of the liquid in the entire cooling system.

Полное принудительное круговое движение жидкости в системе охлаждения реализуется в конструкции, изображенной на фиг. 6. В ней изменение давлений в системе охлаждения происходит аналогично схемам, приведенным на фиг. 4 и фиг. 5. При повышении давления в полости 20 части 37 и части 38 емкости 28 с одновременным понижением давления в полости 9 (поршень 7 идет вниз) жидкость из части 37 по каналу 40 входит в нижнюю часть рубашки 2, поднимается по ней и через канал 41 попадает на вход распределителя потоков 42, в связи с чем прямой клапан 43, оказавшийся под действием перепада давления между полостью 20 (большее давление) и полостью 9 (меньшее давление) открывается, пропуская жидкость в канал 30 и одновременно отсекая этот поток от второго выхода распределителя потоков, соединенного каналом 45 с частью 38 емкости 28. Клапан 43 в силу своего устройства не может открыть доступ потока из части 38 через канал 45 к каналу 30.The full forced circular motion of the liquid in the cooling system is implemented in the design shown in FIG. 6. In it, a change in pressure in the cooling system occurs similarly to the circuits shown in FIG. 4 and FIG. 5. With increasing pressure in the cavity 20 of part 37 and part 38 of the container 28 with a simultaneous decrease in pressure in the cavity 9 (the piston 7 goes down), the liquid from part 37 enters the lower part of the jacket 2 through channel 40, rises along it, and enters through channel 41 at the inlet of the flow distributor 42, in connection with which the direct valve 43, which is exposed to a differential pressure between the cavity 20 (higher pressure) and the cavity 9 (lower pressure), opens, passing liquid into the channel 30 and simultaneously cutting off this flow from the second output of the flow distributor connected anal 45 with portion 38 of the container 28. The valve 43 by virtue of the device can not open the flow of access portion 38 through the channel 45 to channel 30.

При понижении давления в полости 20, части 37 и части 38 (поршень 7 идет вверх) жидкость под действием перепада давления между каналом 30 и полости 9 (большее давление) и давлением в полости 20 и частях 37 и 38 (меньшее давление) движется в сторону емкости 28. Однако при этом под воздействием перепада давления клапан 43 закрывается и жидкость не может вернуться в емкость 28 по каналам 41 и 45 через рубашку 2, ее движение в них останавливается, и вся жидкость движется в часть 38 по каналу 45. Далее цикл повторяется, а жидкость в емкости 28 периодически, с частотой возвратно-поступательного движения поршня перетекает из части 38 в часть 37. Таким образом, совершается прерывистое полноценное круговое движение жидкости в системе охлаждения.When the pressure in the cavity 20, part 37 and part 38 (the piston 7 goes up) decreases, the liquid moves to the side under the influence of the pressure differential between the channel 30 and the cavity 9 (higher pressure) and the pressure in the cavity 20 and the parts 37 and 38 (lower pressure) of the container 28. However, under the influence of the differential pressure, the valve 43 closes and the liquid cannot return to the container 28 through the channels 41 and 45 through the jacket 2, its movement in them stops, and all the liquid moves to part 38 along the channel 45. Then the cycle repeats , and the liquid in the tank 28 periodically, with a frequency of zvratno-translational movement of the piston flows from portion 38 to portion 37. Therefore, the intermittent accomplished full circular motion of the liquid in the cooling system.

В конструкции, изображенной на фиг. 7, соединение общего объема полости 20 вместе с частями 37 и 38 емкости 28 с атмосферой в мертвых точках положения поршня 7 происходит за счет работы золотника 51, вращающегося вместе с коленчатым валом 4, лыски которого 52 и 53 расположены в противофазе - лыска 53 соединяет упомянутый общий объем с атмосферой при положении поршня 7 в ВМТ (этот момент показан на фиг. 7), а лыска 52 - при положении поршня 7 в НМТ. Соединение с атмосферой происходит с помощью отверстия 54 и канала 55.In the construction shown in FIG. 7, the connection of the total volume of the cavity 20 together with the parts 37 and 38 of the container 28 with the atmosphere at the dead points of the piston 7 occurs due to the operation of the spool 51 rotating together with the crankshaft 4, the flats of which 52 and 53 are in antiphase - the flat 53 connects the aforementioned the total volume with the atmosphere when the piston 7 is in TDC (this moment is shown in Fig. 7), and the flange 52 is when the piston 7 is in the BDC. Connection with the atmosphere occurs via aperture 54 and channel 55.

При движении поршня 7 вниз к НМТ в общем объеме полости 20 создается повышенное (по сравнению с атмосферным) давление, и на жидкость, находящуюся в системе охлаждения, действует перепад давления между этим повышенным давлением и пониженным (по сравнению с атмосферным) давлением в полости 9. Под действием этого перепада давления жидкость из части 37 движется через канал 32 с противоположно потоку направленными гидродиодами, канал 40, рубашку 2 и канал 41 по направлению к делителю потоков 47. Одновременно жидкость из части 38 через канал 33 с попутно установленными гидродиодами и канал 45 также движется к делителю 47. В связи с тем, что гидродиоды в канале 32 препятствуют движению жидкости, а гидродиоды, установленные в канале 33, почти не оказывают сопротивления потоку, расход жидкости через канал 45 больше, чем через канал 41. Это приводит к тому, что имеющий большую кинетическую энергию поток жидкости, вошедший во входное отверстие 48 делителя 47, частично «отодвигает» поток жидкости, вошедший в делитель 47 через входное отверстие 46, и на выходное отверстие 49 делителя 47 попадает жидкости больше из части 38 емкости 28, чем из части 37. Смешанный поток проходит в канал 30.When the piston 7 moves down to the BDC in the total volume of the cavity 20, an increased (compared to atmospheric) pressure is created, and the pressure in the cooling system is affected by a pressure differential between this increased pressure and the reduced (compared to atmospheric) pressure in the cavity 9 Under the action of this pressure differential, the liquid from part 37 moves through channel 32 with directional hydrodiodes opposite to the flow, channel 40, jacket 2 and channel 41 towards flow divider 47. At the same time, liquid from part 38 passes through channel 33 with hydrodiodes and channel 45 also moves toward the divider 47. Due to the fact that the hydrodiodes in channel 32 impede the movement of liquid, and the hydrodiodes installed in channel 33 have almost no resistance to flow, the flow rate through channel 45 is greater than through channel 41 This leads to the fact that having a large kinetic energy, the fluid flow entering the inlet 48 of the divider 47 partially “pushes” the fluid flow entering the divider 47 through the inlet 46, and more fluid gets into the outlet 49 of the divider 47 and from part 38 of tank 28 than from part 37. The mixed flow passes into channel 30.

При движении поршня 7 вверх к ВМТ жидкость, находящаяся в системе охлаждения, оказывается под перепадом давления между давлением в полости 9 (атмосферное давление) и общего объема полости 20 (разрежение). Под действием этого перепада давления и под действием гравитационных сил жидкость из канала 30 течет на выходное отверстие 49 делителя 47, и далее поток раздваивается на два пути - через входное отверстие 48, канал 45 и канал 33 с противоположно потоку направленными гидродиодами в часть 38 емкости 28 и через входное отверстие 46, канал 41, рубашку 2, канал 40 и канал 32 с попутно установленными гидродиодами в часть 37 емкости 28. В связи с тем, что в канале 33 гидродиоды оказывают большее сопротивление потоку, чем в канале 32, большая часть жидкости течет через входное отверстие 46 и далее через канал 41, рубашку 2 и канал 40 в часть 37, чем в через входное отверстие 48, канал 45 и канал 33 в часть 38 емкости 28.When the piston 7 moves upward to TDC, the liquid in the cooling system is under the pressure drop between the pressure in the cavity 9 (atmospheric pressure) and the total volume of the cavity 20 (vacuum). Under the influence of this differential pressure and under the influence of gravitational forces, the fluid from the channel 30 flows to the outlet 49 of the divider 47, and then the stream is divided into two ways - through the inlet 48, channel 45 and channel 33 with the directional hydrodiodes directed opposite to the flow into part 38 of the tank 28 and through the inlet 46, channel 41, jacket 2, channel 40 and channel 32 with simultaneously installed hydrodiodes in part 37 of tank 28. Due to the fact that in channel 33 hydrodiodes have a greater resistance to flow than channel 32, most of the liquid flowing through inlet 46 and further through channel 41, jacket 2 and channel 40 to part 37 than through inlet 48, channel 45 and channel 33 to part 38 of container 28.

Таким образом, кроме смешения потоков из разных частей емкости 28 в делителе 47, в емкости 28 уровень жидкости оказывается более высоким в части 37, чем в части 38, в связи с чем между этими частями имеет место постоянно пульсирующий поток жидкости в направлении от части 37 в часть 38. Это способствует перемешиванию жидкости и ее хорошему охлаждению на поверхностях теплообмена системы охлаждения.Thus, in addition to mixing flows from different parts of the container 28 in the divider 47, in the container 28, the liquid level is higher in part 37 than in part 38, and therefore there is a constantly pulsating fluid flow between these parts in the direction from part 37 in part 38. This contributes to the mixing of the liquid and its good cooling on the heat exchange surfaces of the cooling system.

Таким образом, предложенные способ работы и устройства машины объемного действия позволяют без лишних затрат энергии на перемешивание жидкости, использующейся для охлаждения цилиндра, механизмом привода машины, а используя только перепады давления в ее полостях, организовать полноценное автономное охлаждения цилиндра. Кроме того, по сравнению с известными конструкциями появляется возможность применять в системе охлаждения не только масло, которым смазывается механизм привода, а обычную воду, которая имеет гораздо более высокий по сравнению с маслом коэффициент теплопроводности (ориентировочно в 4-5 раз) и более высокую теплоемкость (ориентировочно в 2 раза), что дополнительно повышает эффективность работы системы автономного охлаждения машины.Thus, the proposed method of operation and device of a volumetric machine allow without unnecessary expenditure of energy for mixing the liquid used to cool the cylinder with the drive mechanism of the machine, and using only the pressure drops in its cavities, to organize a full-fledged autonomous cooling of the cylinder. In addition, in comparison with the known constructions, it becomes possible to use not only oil, which lubricates the drive mechanism, but ordinary water, which has a much higher thermal conductivity coefficient (approximately 4-5 times) and higher heat capacity, compared to oil (approximately 2 times), which further increases the efficiency of the autonomous cooling system of the machine.

Claims

1. The method of operation of a volumetric reciprocating machine, which consists in alternately sucking and pumping gas by changing the volume of the working cavity of the cylinder, in which the cylinder is flowed around with coolant moving along the volume of the cylinder cooling jacket, the pressure drop for the movement of the coolant is created by changing the volume of the piston cavity, which represents a cavity of the crankcase combined into a single volume and a part of the cylinder volume located under the piston due to the reciprocating motion of the piston the fact that the piston cavity of the volumetric machine is connected to the environment when the piston is in the upper and lower dead points of the piston position during its reciprocating motion.

2. A piston machine for implementing the method, comprising a cylinder with a liquid jacket mounted on a partially filled with a crankcase with a drive mechanism connected to a piston placed in the cylinder with the formation of the working cavity connected to the gas source and consumer through the suction and discharge cavities and gas distribution bodies moreover, the liquid jacket is connected to a source of coolant, and the lower part of the cylinder forms a total volume with the crankcase, characterized in that the machine is equipped with a property connecting the total volume to the environment when the piston is at the top and bottom dead center.

3. The piston machine according to claim 2, characterized in that the device connecting the total volume with the environment when the piston is at top dead center is made in the form of at least one hole in the cylinder wall below the piston skirt.

4. The piston machine according to claim 2, characterized in that the device connecting the total volume with the environment when the piston is in the bottom dead center position is made in the form of at least one valve with a control element installed with the possibility of contact with the piston skirt when it is at bottom dead center.

5. The piston machine according to claim 2, characterized in that the device connecting the total volume to the environment when the piston is at the top and / or bottom dead center is made in the form of a spool mounted on one of the supporting necks of the crankshaft.

6. The piston machine according to claim 2, characterized in that the liquid jacket is connected to the inner surface of the cylinder by at least one hole located above the outer surface of the piston in contact with the cylinder surface located at the bottom dead center position.

7. The piston machine according to paragraphs. 2 and 6, characterized in that the piston has a circular chamfer on the bottom.

8. The piston machine according to claim 2, characterized in that the machine has an additional capacity as a fluid source, partially filled with coolant, connected in its upper part by a channel to the total volume of the cylinder and the crankcase, and the upper part of the liquid jacket is connected by a channel to suction cavity of the machine.

9. The piston machine according to paragraphs. 2 and 8, characterized in that the liquid jacket is connected to the additional container through two channels and wherein said container is divided into two parts by a partition with an opening at the top and a gap at the bottom, each of these two channels being included in one of the parts of the additional container and contains at least one hydrodiode and these hydrodiodes have oppositely directed diodes.

10. The piston machine according to paragraphs. 2 and 8, characterized in that the lower part of the liquid jacket is connected by a channel to one part of the additional tank, and the upper part is connected to the inlet of the flow distributor, one outlet of which is connected through a direct valve and a channel to the suction cavity of the machine, and the other through a check valve and the channel with the second part of the additional capacity.

11. The piston machine in paragraphs. 2 and 8, characterized in that the lower part of the liquid jacket is connected by a channel to one part of the additional capacity, and the upper part of the jacket is connected by a channel to the first inlet of the flow divider, made in the form of three holes lying in the same plane, the two inlets intersecting under acute angle, and the axis of the third outlet is the bisector of said acute angle, and this third hole is connected to the suction cavity of the machine, and the second inlet is connected to the second part of the additional oh capacity.