БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ

Полезная модель относится к области энергетики и машиностроения, а именно к конструкции двигателей с внешним подводом теплоты.
Известны конструкции двигателей, содержащих цилиндры с горячей и холодной полостями и с бесшатунным механизмом для преобразования поступательного движения поршней в цилиндрах во вращательное движение вала отбора мощности [SU 376590, 01.01.1973 г., SU 541039, 30.12.1976 к., US 5735123, 07.04.1998 г.]. Горячие и холодные полости цилиндров при этом соединены между собой через нагреватель, регенератор и охладитель. Бесшатунный механизм таких двигателей содержит коленчатый вал с двумя штоковыми шейками.
Достоинством таких двигателей является высокий КПД механизма. Недостатком указанных конструкций является неравномерная нагруженность концевых шеек коленчатого вала, размещенных в кривошипах. Из конструктивных данных подобных бесшатунных механизмов следует, что концевая шейка, расположенная ближе к оси цилиндра, воспринимает около 70% усилия, действующего на поршень. При этом вторая концевая шейка, удаленная от оси цилиндра из-за наличия соседнего колена, воспринимает 30% усилия. Такая неравномерность нагрузки шеек вдоль оси коленчатого вала приводит к перекосу коленчатого вала в концевых подшипниках. Следствием может быть заклинивание концевых шеек коленчатого вала. Кроме того, при определенных положениях кривошипов, на штоковые шейки коленчатого вала, размещенные оппозитно, действуют одинаковые усилия. Составляющие этих усилий, действующие от штоковых шеек по направлению к оси коленчатого вала, также равны по величине, но направлены встречно. При этом создается момент пары сил, приводящий к повороту коленчатого вала, то есть также к его дополнительному перекосу.
Известна конструкция трехпоршневого двигателя (JPH 0719109, 20.01.1995 г.), принятого за наиболее близкое решение к заявляемому, который содержит цилиндры с горячей и холодной полостями, охладитель, регенератор, нагреватель, коленчатый вал, штоки, поршни, при этом ось одного цилиндра расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости прохождения осей двух других цилиндров.
Для функционирования указанного двигателя дополнительно используются три теплообменника и два регенератора, что усложняет конструкцию и неизбежно приводит к увеличению суммарных потерь подводимой теплоты. Также указанная конструкция приводит к возрастанию суммарного гидравлического сопротивления во внутренних полостях двигателя. В надпоршневых областях крайних цилиндров протекают рабочие процессы с различными характеристиками, что приводит к неравномерному нагружению коленчатого вала, что, в свою очередь, может привести к заклиниванию механизма. Таким образом, рассмотренная конструкция двигателя не обеспечивает необходимую надежность его работы.
Задачей полезной модели является исключение возможности заклинивания коленчатого вала и повышение механического КПД двигателя.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы двигателя за счет устранения неравномерности нагружения концевых шеек коленчатого вала.
Технический результат достигается при использовании бесшатунного двигателя с внешним подводом теплоты, содержащего цилиндры с горячей и холодной полостями и бесшатунный механизм, включающий в себя кривошипы, коленчатый вал, штоки, поршни и соединительный вал, связанный с кривошипами посредствам зубчатой передачи, при этом горячая полость размещена в двух цилиндрах, соединенных с холодной полостью третьего цилиндра, и коленчатый вал выполнен с тремя штоковыми шейками, крайние из которых связаны со штоками и поршнями цилиндров с горячими полостями, а средняя шейка связана со штоком и поршнем цилиндра с холодной полостью.
Наличие цилиндров с горячей и холодной полостями и бесшатунного механизма, включающего в себя кривошипы, коленчатый вал, штоки, поршни и соединительный вал, связанный с кривошипами посредствам зубчатой передачи, размещение горячей полости в двух цилиндрах, соединенных с холодной полостью третьего цилиндра, выполнение коленчатого вала с тремя штоковыми шейками, крайние из которых связаны со штоками и поршнями цилиндров с горячими полостями, а средняя шейка связана со штоком и поршнем цилиндра с холодной полостью позволяют одновременно создать равновеликие усилия, воздействующие на концевые шейки коленчатого вала, повысить тем самым надежность работы двигателя и исключить возможность заклинивания коленчатого вала.
На фиг. 1 изображен продольный разрез трехцилиндрового двигателя по цилиндрам с горячей полостью, на фиг. 2 - поперечный разрез по цилиндру с холодной полостью.
Двигатель содержит два цилиндра 1 с горячими полостями и одинаковыми рабочими объемами, цилиндр 2 с холодной полостью, соединенный с цилиндрами 1 через охладитель 3, регенератор 4, и нагреватель 5. Рабочий объем цилиндра 2 равен сумме рабочих объемов цилиндров 1. Бесшатунный механизм содержит поршни 6 и 7, штоки 8 и 9 с ползунами, коленчатый вал 10 с двумя концевыми (опорными) и тремя штоковыми шейками, кривошипы 11 и 12, шестерни 13 и 14 для синхронизации вращения кривошипов посредством соединительного вала 15.
В качестве поршней 6 и 7 могут быть использованы алюминиевые или стальные поршни.
Рабочий объем цилиндров 1 и 2 может варьироваться в зависимости от реализуемого рабочего процесса в двигателе. Указанное условие должно быть выполнено для масс поршневых комплектов.
Рабочий цикл двигателя осуществляется одновременно в двух цилиндрах 1 с горячими полостями и цилиндре 2 с холодной полостью. В процессах сжатия, подвода теплоты от нагревателя 5, расширения и отвода теплоты в охладителе 3 регенератор 4 обеспечивает повышение КПД заявляемого двигателя. Цилиндры 1 имеют одинаковый рабочий объем, а их суммарный рабочий объем равен рабочему объему цилиндра 2. Поршни 6 в цилиндрах 1 движутся синхронно (без сдвига по фазе). Минимальный объем рабочего тела имеет место при угле поворота кривошипов 45° после верхней мертвой точки (далее - ВМТ) поршней 6 в цилиндрах 1. Максимальный объем рабочего тела достигается через 225° после ВМТ. Полезная работа двигателя определяется как разность работ в процессах расширения и сжатия. Силы давления рабочего тела, с учетом сил инерции поступательно движущихся масс, воздействуют на поршни 6 и 7, которые через штоки 8 и 9 с ползунами передают усилия на коленчатый вал 10 и кривошипы 11 и 12. Последние синхронизованы с соединительным валом 15 через шестерни 13 и 14. Отбор мощности потребителем осуществляется от вала одного из кривошипов или от соединительного вала 15.
Коленчатый вал 10 выполнен симметричным относительно плоскости, перпендикулярной к его оси и проходящей через середину штоковой шейки, расположенной в цилиндре 2.
Устранение возможности заклинивания коленчатого вала связано с одновременными и равновеликими усилиями, воздействующими на концевые шейки коленчатого вала. То есть, как при воздействии усилия на поршень третьего цилиндра, так и от одновременного суммарного усилия от двух других поршней каждая концевая шейка нагружена половиной указанных усилий.
Заявляемая конструкция двигателя обладает меньшей конструктивно-технологической сложностью по сравнению с аналогами, что также уменьшает количество сопряженных изнашивающихся деталей в силовом механизме.
Двигатель имеет прямолинейное по оси цилиндров движение поршней без контакта и трения со стенками цилиндров, что уменьшает их износ и способствует повышению срока службы двигателя. Прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней и штоков, при котором отсутствуют элементы качения, свойственные движению шатунов, также гарантирует отсутствие нагрузок от качающихся масс, а также позволяет максимально приблизить ось цилиндра к оси вала двигателя, существенно уменьшив его габариты.
К тому же, цилиндро-поршневые группы заявляемого двигателя обладают меньшей теплонапряженностью, что приводит к меньшим тепловым потерям из рабочего цикла. При этом наиболее нагруженные элементы двигателя работают в условиях пониженной температуры и жидкостного трения, что обуславливает малые потери на трение и повышение механического КПД.
В итоге, исключается перекос коленчатого вала и возможность его заклинивания в подшипниках кривошипов, что повышает надежность работы заявляемого двигателя с внешним подводом теплоты.