ДВУХТАКТНАЯ БЕСКРИВОШИПНАЯ ПОРШНЕВАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА-ДВИГАТЕЛЬ
TWO-STROKE AXIAL PISTON THERMAL MACHINE-ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может быть использовано в качестве источника механической энергии.
Известны конструкции бескривошипных тепловых поршневых машин, в частности поршневая машина Лапидуса (Лапидус А.Л. Поршневая машина. Авторское свидетельство №1038487, F01B 9/08, опубл. 30.08.1983). В этой машине поршень (он неподвижен) расположен внутри цилиндра, имеющего возможность возвратно-поступательного перемещения относительно его (поршня) продольной оси и вала, ось которого перпендикулярна оси поршня. Вал способен воспринимать и передавать вращательное движение кулачков установленного на нем (во внутреннем пространстве поршня) храпового механизма. Опоры вала вынесены за стенки цилиндра, выполненного с возможностью перемещения вдоль поршня благодаря окнам на боковых поверхностях. При перемещениях цилиндра верхние и нижние своды окон воздействуют на кулачки храповых (обгонных) муфт, установленных на валу во внутреннем пространстве поршня. Муфты работают в противофазе, этим обеспечивается вращение вала. Таким образом, поршень неподвижен. Возвратно-поступательное движение совершает гильза. Рабочий цикл, в частности, и сгорание реализуется в пространстве, ограниченном торцевыми поверхностями поршня и торцевыми внутренними поверхностями гильзы, внутри которой размещено тело поршня.
Основным недостатком устройства является невысокая нагрузочная способность механизма обгонных муфт, неприспособленность к повышению частоты вращения, проблематичный запуск: машина Лапидуса необратима.
Другим примером могут служить машины-двигатели с циклоидальной формой рабочих органов, в частности двигатель Ф. Ванкеля (Бениович B.C., Апазиди Г.Д., Бойко A.M. Роторно-поршневые двигатели. - М.: Машиностроение, 1968, стр. 11-40; Орлин А.С. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для ВТУЗов. - М.: Машиностроение, 1990, стр. 261- 265). В бескривошипном двигателе Ванкеля поршня как такового нет, т.к. он заменен вращающимся ротором, имеющим, по сравнению с поршнями кривошипно-шатунных двигателей, более сложную конструктивную схему и, в этой связи, более сложную технологию производства. К недостаткам двигателя Ванкеля следует отнести и более высокие тепловые потери в стенки, обусловленные значительными площадями поверхностей, формирующих внутреннее пространство камеры сгорания.
Наиболее близкой к заявленному устройству является конструкция бескривошипной тепловой машины-двигателя (патент RU №2460890 C1, F02B 75/26, F02B 75/32, F01B 9/06; опубл. 10.09.2012). Бескривошипная поршневая тепловая машина-двигатель содержит осесимметричный поршень, установленный в гильзу цилиндра, выходной вал, связанный с поршнем посредствам механизма преобразования движения; на внутренней поверхности днища поршня установлен подшипник, с которым соединена верхняя головка штока, связывающего поршень с кареткой механизма преобразования движения, которая в свою очередь жестко связана со штоком.
К основным недостаткам такого двигателя следует отнести неблагоприятные условия работы подшипника, расположенного на внутренней стороне днища поршня (высок уровень температурных нагрузок, не исключена также возможность масляного «голодания»), и недостаточную смазку основных сопряжений механизма передачи и преобразования движения, воспринимающего нагрузки, создаваемые давлением рабочего тела в камере сгорания в период горения.
В основу предлагаемого изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении надежности двигателя за счет обеспечения благоприятных условий работы конструктивных элементов механизма передачи и преобразования движения поршня, в частности за счет снижения потерь трения в механизмах передачи и преобразования движения и повышения механического КПД двигателя.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в предлагаемой двухтактной бескривошипной поршневой тепловой машине-двигателе верхняя головка штока жестко сочленяется с поршнем, нижняя головка штока жестко закреплена во внутренней обойме подшипника, установленного в каретке механизма преобразования движения; при этом подпоршневая полость двигателя и полость блок-картера разделены проставкой, в центре которой выполнено отверстие для расположения стержня штока, а на поверхности проставки, обращенной к поршню, выполнено гнездо для установки уплотняющего шток сальника. Поверхность проставки, обращенная к блок-картеру, и стенки блок-картера образуют полость (ванну), заполненную маслом, для обеспечения смазки трущихся пар механизма передачи и преобразования движения.
Соединение поршня посредством штока, нижняя головка которого жестко связана с внутренней обоймой упорного подшипника, установленного в гнездо на каретке механизма передачи и преобразования движения, отделение с помощью проставки с гнездом для сальника подпоршневой полости двигателя от полости блок-картера и использование полости (ванны) блок-картера, заполненной маслом, создает благоприятные условия (с точки зрения обеспечения теплового состояния и смазки поверхностей трения) работы механизмов передачи и преобразования движения.
Предлагаемая конструктивная схема двухтактной бескривошипной поршневой тепловой машины-двигателя обеспечивает следующие технические преимущества:
- созданы условия для снижения уровня тепловых и механических нагрузок в элементах передачи и преобразования движения поршня, что способствует уменьшению трения и механических потерь в двигателе, повышает его механический и эффективный КПД;
- снижение тепловых и механических напряжений в элементах механизма передачи и преобразования движения, повышает надежность работы двухтактной бескривошипной поршневой тепловой машины-двигателя.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами. На фиг. 1 дан продольный разрез двухтактной бескривошипной поршневой тепловой машины-двигателя. На фиг. 2 представлена схема конструкции каретки механизма преобразования движения. На фиг. 3 - схема конструкции двухрожкового выходного вала.
Двухтактная бескривошипная поршневая тепловая машина-двигатель содержит поршень 2, установленный в цилиндр 1, закрепленный на блок-картере 6, механизм передачи и преобразования движения, двухрожковый вильчатый выходной вал 8, связанный с кареткой 14 механизма передачи и преобразования движения. Ось 12 каретки 14 имеет цапфы с установленными на них втулками 11, опирающимися на беговую дорожку. Каретка 14 соединена с поршнем 2 посредством штока 9, нижняя головка которого жестко связана с внутренней обоймой подшипника 10, расположенного в гнезде каретки, а верхняя головка жестко соединена с поршнем 2. Подпоршневая полость отделена от блок-картера 6 проставкой 3 с установленным в ней сальником 13. По центру проставки 3 выполнено отверстие для штока 9. Блок-картер и проставка 3, отделяющая его от подпоршневой полости, образуют полость (ванну), заполненную маслом, в которой размещаются наиболее нагруженные элементы механизма передачи и преобразования движения.
Предлагаемая двухтактная бескривошипная поршневая тепловая машина-двигатель работает по двухтактному циклу с петлевой щелевой системой газообмена.
Принцип действия двухтактной бескривошипной поршневой тепловой машины-двигателя заключается в следующем. В процессе сгорания вследствие высокого давления рабочего тела в цилиндре поршень 2 перемещается из верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. При этом его движение передается через шток 9, нижняя головка которого жестко связана с внутренней обоймой упорного подшипника 10, установленного на каретке 14 механизма передачи и преобразования движения. Ось 12 каретки механизма передачи и преобразования движения, имеющая на своих концах (цапфах) втулки 11, установленные в профилированном криволинейном пазе беговой дорожки, образуемом криволинейными торцевыми поверхностями втулок 4 и 5, побуждает каретку 14 механизма передачи и преобразования движения к вращательному движению. В связи с тем, что корпус каретки 14 имеет пазы, выполненные на ее боковой поверхности, в которых размещены стержни двухрожкового (выходного) вала 8, опирающегося на подшипник 15, установленный в крышке 7, вращательное движение каретки передается на выходной вал 8.
При этом все элементы механизма передачи и преобразования движения защищены от чрезмерно высоких тепловых и механических нагрузок, обусловленных трением и теплопередачей, так как находятся в масляной полости, отделенной проставкой 3 от подпоршневой полости двигателя. Предлагаемая бескривошипная поршневая тепловая машина-двигатель может быть использована в качестве источника механической энергии для привода транспортных машин и стационарных потребителей энергии (насосов, компрессоров, вентиляторов, транспортеров и др.) в различных отраслях промышленности и хозяйства.
Существенным преимуществом предлагаемой конструкции является ее простота и технологичность, повышенный моторесурс и надежность за счет придания основным деталям простых конструктивных форм, улучшения условий смазки, снижения обусловленных трением нагрузок и хорошей ремонтопригодности.