Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания
Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к конструкции бесшатунного поршневого двигателя, в котором преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное коленвала осуществляется крейцкопфами, свободно скользящими перпендикулярно движению поршней по направляющим в поперечной прорези пластины, соединяющей два поршня и может использоваться для бензиновых или дизельных, для четырехтактных так и для двухтактных ДВС, как четырехцилиндровых так и 8 и более цилиндров. Технический результат - устранение бокового давления на цилиндры, устранение эффекта верхней мертвой точки. Бесшатунный механизм двигателя внутреннего сгорания содержит два цилиндра на одной оси и два цилиндра на оси перпендикулярной первой, каждая пара цилиндров снабжена двумя поршнями жестко соединенными пластиной, имеющей поперечную прорезь с двумя направляющими, по которым скользит крейцкопф с подшипниками для шейки коленвала. Классическое жесткое крепление коленчатого вала в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластин, свободное поперечное перемещение крейцкопф без бокового давления на цилиндры.
Полезная модель относится к области двигателестроения. Полезная модель предлагает конструкцию бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
За прототип принят бесшатунный поршневой ДВС с перекрещивающимися осями двигателя С.С. Баландина (http://www. volnovoidvigatel.ru/controd-free-engines/index.html).
История развития бесшатунных поршневых двигателей, предложенных С. Баландиным, берет начало в тридцатых-сороковых годах прошлого века, когда в конструкторском бюро, где работал автор, были разработаны и построены несколько типов авиационных двигателей с необычным, отличным от кривошипно-шатунного, силовым механизмом.
Все построенные образцы основывались на схеме с одной избыточной кинематической связью.
Всего одна избыточная кинематическая связь в таком сложном механизме как ДВС ставила под сомнение всю его дальнейшую работоспособность. Тем более не было понимания того, как от этой связи избавиться, синхронизирующий механизм, о котором идет речь, являлся неотъемлемой частью самого двигателя.
Бесшатунный поршневой двигатель С. Баландина содержит четыре поршня на перекрещивающихся осях; два штоковых подшипника; два консольных вала; четыре шестерни синхронезирующего механизма; планетарно вращающийся коленчатый вал; четыре подвижные опоры.
Всего один планетарно вращающийся коленчатый вал заменяет в силовом механизме все шатуны. Вал установлен между двумя консольными вращающимися опорами, которые в свою очередь соединены между собой шестеренчатым механизмом из двух пар шестерен. Это и есть универсальный механизм связи поршней, предложенный С. Баландиным и обеспечивший в построенных образцах: малые габариты и вес, высокую оборотность, рациональный двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах, эффективную систему охлаждения поршней и, наконец, высокий механический КПД, величина которого на некоторых режимах работы двигателя достигала 94% (в обычных ДВС около 85%).
Вопреки ожиданиям, у большинства построенных образцов при первых оборотах вала происходило заклинивание силового механизма в корпусе двигателя в результате задира поршней о зеркало цилиндров. Те, кто сумел спроектировать и построить работоспособный двигатель, обнаруживали в нем интенсивный износ и выкрашивание крейцкопфных направляющих
(питтинг). Все попытки бороться с этим явлением не приносили успеха. Живучесть силового механизма определялась несколькими часами работы.
В силовом механизме двигателя С С. Баландина каждый поршень через штоковую (шатунную) шейку опирается одной стороной на скользящий крейцкопф, а другой стороной на подверженный изгибу консольный вал и соответственно 50% нагрузки от газовых сил приходится на крейцкопфную опору (под ней находится остов двигателя), а остальные 50%, воспринимаются "упругим элементом", что делает конструкцию не надежной. Частично эта проблема была решена путем размещения концевых шеек планетарного вала внутри подшипников большого диаметра, при этом окружные скорости сопрягаемых наружных поверхностей подшипников увеличивались втрое.
Следующей нерешенной проблемой оставалась система подачи масла к трущимся поверхностям подшипников бесшатунного двигателя. Так, если концевые подшипники консольных опор работают в условиях гидродинамической жидкостной смазки, то создать аналогичные условия работы крейцкопфам, которые за один оборот вала дважды останавливаются, невозможно, такие подшипники могут работать только как гидростатические опоры. Основная же причина того, что применение рассматриваемой кинематической схемы не получило практической реализации, состоит в том, что она сложнее обычного кривошипно-шатунного механизма. В силовом механизме, помимо основных элементов, используются дополнительные синхронизирующие валы, связанные с основным валом шестернями. Большое количество сопрягаемых элементов требует высокого технологического уровня их изготовления. Соединенные последовательно, шестерни синхронизирующего механизма образуют длинную размерную цепь. Значение ее суммарного допуска должно быть меньше величины диаметрального зазора одного из крайних подшипников планетарного вала, иначе невозможно обеспечить его правой и левой половине синхронного вращения. Уложиться же в этот допуск технологически сложно. (http://www.volnovoidvigatel.ru/controd-free-engines/index.html).
Предлагаемая заявителем полезная модель (Фиг. 1 и Фиг. 2) содержит во взаимно перпендикулярных цилиндрах четыре поршня на перекрещивающихся осях жестко соединенных: в прототипе через два штока и подвижную опору со штоковым подшипником (тот же крейцкопф), и в полезной модели - пластиной с поперечной прорезью для свободного движения крейцкопфа; по два крейцкопфа со штоковыми подшипниками для шейки коленвала у прототипа и полезной модели; планетарно вращающийся
коленчатый вал у прототипа и коленчатый вал, жестко закрепленный в коренных подшипниках, у полезной модели.
Предлагаемое устройство содержит коленчатый вал, жестко закрепленный в коренных подшипниках, стоящих по обе стороны от пластин, как в обычном (тронковом) ДВС, что устраняет перекосы, задиры, усиленный износ и позволяет снимать мощность с одного конца коленчатого вала.
Полезная модель содержит свободно скользящие крейцкопфы перпендикулярно движению поршней по направляющим в поперечной прорези пластины, соединяющей два поршня.
Таким образом, предлагаемый бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания включает по два цилиндра на каждой из перекрещивающихся осей; в каждой паре цилиндров есть по два поршня, жестко соединенных пластиной, имеющей поперечную прорезь с двумя направляющими, по которым скользит крейцкопф с подшипником для шейки коленвала; коленчатый вал, жестко закрепленный в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластин.
Это, казалось бы простое изменение конструкции, принципиально меняет свойства двигателя.
На Фиг. 1 изображены: кинематическая схема предлагаемого устройства: 1, 2, 3, 4 - поршни; 5, 6, 7, 8 - цилиндры; 9 - пластина с поперечной прорезью, соединяющая два поршня; 10 - коренные подшипники; 11 - подшипники шейки коленвала крейцкопфа; 12 - рабочие крейцкопфы; 13 - коленчатый вал
На Фиг. 2 - фронтальный вид поперечной прорези пластины, соединяющей два поршня: где 14-скользящий наружный подшипник крейцкопфа; те же (11) и (12).
Крейцкопфы (12) имеют одну степень свободы и не оказывают давления на боковые стенки цилиндров, что повышает механический КПД, и, соответственно, уменьшается износ цилиндров и поршней, делает механизм высоко надежным с длительной работоспособностью. Крейцкопфы имеют скользящие подшипники: два плоских наружных (14) для направляющих в поперечной прорези пластины и внутренний (11) для шейки коленвала. Предлагаемое устройство имеет систему смазки через каналы в коленчатом валу, продолжающуюся на наружную поверхность крейцкопфа, аналогичную, как при кривошипно - шатунном механизме, кроме того смазка производится масляным туманом, порождаемом вращением коленчатого вала. Кроме того уменьшается длина самих поршней за счет отсутствия юбки поршня и места для поршневого пальца, остается только место для установки поршневых колец, что сокращает длину цилиндров и, соответственно,
габариты и вес конструкции. Кроме того, ввиду увеличения суммарной длины двух поршней, соединенных вместе, уменьшается боковое давление и износ цилиндров. Также существенным технологическим преимуществом является то, что противоположные цилиндры обрабатываются с одной установки, как и два жестко соединенных поршня. Габариты четырехцилиндрового двигателя практически будут соответствовать габаритам обычного двухцилиндрового.
Рациональный двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах, когда при рабочем ходе в одном цилиндре в противоположном происходит сжатие, частично разгружает коленчатый вал.
Взаимно-перпендикулярное расположение цилиндров (5-6 и 7-8) позволяет избегать эффекта верхней мертвой точки (ВМТ): когда при начале рабочего хода в верхней мертвой точке находится один из поршней, у второго перпендикулярного поршня момент силы на коленчатом валу максимален, в результате момент вращения бесшатунного двигателя - величина постоянная. Математически это выглядит так: если момент по одной оси X, а по перпендикулярной Y, то суммарный момент (формула окружности):
X2+Y2=1
Данная конструкция полезной модели может использоваться для всех видов двигателей: бензиновых, дизельных, четырехтактных, двухтактных, четырехцилиндровых, 8 и более цилиндров с использованием обычных систем газораспределения, зажигания, питания, впрыска и других.
Кроме того, система коленвал - крейцкопф, свободно перемещающийся в поперечной прорези пластины, соединяющей два поршня, может использоваться в устройствах, где необходимо преобразовать вращение в поступательное движение: в насосах, компрессорах и т.п.
Предлагаемое устройство бесшатунного поршневого механизма двигателя внутреннего сгорания содержит по два цилиндра (5, 6 и 7, 8) на каждой из перекрещивающихся осей, в каждой паре цилиндров есть по два поршня (1, 2 и 3, 4), жестко соединенных пластиной, имеющей поперечную прорезь с двумя направляющими, по которым свободно скользит крейцкопф (12) с плоскими подшипниками скольжения (вкладышами) (14) для направляющих в поперечной прорези и цилиндрическими подшипниками (вкладышами) скольжения(11) для шейки коленчатого вала (13).
Жесткое крепление коленчатого вала в подшипниковых опорах (10), стоящих по обе стороны от пластин, свободное поперечное перемещение крейцкопф без бокового давления, которое принимает на себя давление газов
смеси перпендикулярного цилиндра, делает механизм высоко надежным и с длительной работоспособностью.
При четырехтактном цикле устройство работает следующим образом: когда в 5-ом цилиндре поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), смесь сжата, начинается рабочий ход (РХ), в 6-м цилиндре начинается сжатие рабочей смеси (СЖ), в 7-м цилиндре - вторая половина выхлопа (ВХ), в 8-м - вторая половина всасывания (ВС).
При повороте коленвала на 90 градусов в 7-м и 8-м цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается всасывание (в 7) и сжатие (в 8). В 5-ом и 6-ом цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 5 - рабочий ход, в 6 - сжатие.
При повороте коленвала на 180 градусов в 5 и 6 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается выхлоп (в 5) и рабочий ход (в 6). В 7 и 8 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 7 - всасывание, в 8 - сжатие.
При повороте коленвала на 270 градусов в 7 и 8 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается сжатие (в 7) и рабочий ход (в 8). В 5 и 6 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 5 - выхлоп, в 6 - рабочий ход.
При повороте коленвала на 360 градусов в 5 и 6 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается всасывание (в 5) и выхлоп (в 6). В 7 и 8 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 7 - сжатие, в 8 - рабочий ход.
При повороте коленвала на 450 градусов в 7 и 8 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается рабочий ход (в 7) и выхлоп (в 8). В 5 и 6 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 5 - всасывание и в 6 - выхлоп.
При повороте коленвала на 540 градусов в 5 и 6 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается сжатие (в 5) и всасывание (в 6). В 7 и 8 цилиндрах продолжатся их прежние циклы: в 7 - рабочий ход, в 8 - выхлоп.
При повороте коленвала на 630 градусов в 7 и 8 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается выхлоп (в 7) и всасывание (в 8). В 5 и 6 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 5 - сжатие, в 6 - всасывание.
При повороте коленвала на 720 градусов в 5 и 6 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается рабочий ход (в 5) и сжатие (в 6). В 7 и 8 продолжатся прежние циклы: в 7 - выхлоп, в 8 - всасывание.
Анализ циклов четырехтактного двигателя показывает, что на два оборота коленвала, четверть оборота отсутствует рабочий ход. Это можно устранить, изготовив восьмицилиндровый двигатель, который практически уложится в габариты четырехцилиндрового двигателя.
Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания, включающий по два цилиндра на каждой из перекрещивающихся осей; в каждой паре цилиндров есть по два поршня, жестко соединенных пластиной, имеющей поперечную прорезь с двумя направляющими, по которым скользит крейцкопф с подшипником для шейки коленвала; коленчатый вал, жестко закрепленный в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластин.
РИСУНКИ
