КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использовано в двухтактных, четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, паровых машинах, двигателях Стирлинга, детандорах, бензиновых и керамических двигателях, поршневых компрессорах и т.д.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер с установленным на нем цилиндром с системой газораспределения, шток поршня цилиндра через кулису связан с двумя коленчатыми валами, которые размещены в картере параллельно один другому и кинематически связаны между собой для синхронного вращения в противоположные стороны (СССР, а.с №1281700, пл. Р 02 В 75/32 опубл. 1987 г.)
Однако, двигатель с таким кривошипно-шатунным механизмом металлоемок и имеет большие габариты.
Известны двигатели внутреннего сгорания, содержащие, по меньшей мере, один цилиндр, размещенный в нем поршень, два параллельных коленчатых вала, расположенных симметрично относительно оси цилиндра и связанных между собой с возможностью вращения в противоположные стороны при помощи механизма передач, два шатуна, каждый из которых шарнирно соединен со штоком цилиндра и с соответствующим коленчатым валом (СССР, а.с. №1733654, Р 02 В 75/32, опубл. 15.05.92, США, патент №2885855 кл. Р 02 В 75/32, опубл. 1959 г.)
Двигатели имеют недостаточно высокий ресурс и большое количество деталей, подверженных воздействию трения.
Известен двигатель, в котором оппозитно расположенные цилиндры соединены общим штоком, на котором выполнен кулачок с зубчатым
зацеплением, посредством которого передается вращение рабочему валу (Франция, заявка №2264187, кл. Р 02 В 75/32, 1975 г.)
Двигатель имеет недостаточно высокую удельную мощность.
Наиболее известным является двигатель, содержащий два оппозитно размещенных цилиндра, поршни которых соединены общим штоком, два коленчатых вала, расположенных симметрично оси цилиндров и связанных между собой зубчатым зацеплением, два шатуна, связанных со штоком и с соответствующим коленчатым валом (Швейцария патент №187502, кл. Р 01 В 75/32, опубл. 1937 г.)
В данном двигателе коленчатые валы расположены на таком расстоянии от оси штока, что кривошип и шатун каждого, коленчатого вала не могут занимать положение, перпендикулярное оси штока, а каждый коленчатый вал совершает один оборот 360° и пространство под поршнем не используется для получения полезной мощности, а вследствие этого удельная мощность двигателя не достаточно высокая.
Из-за большой площади боковой трущейся поверхности поршня и цилиндров снижается надежность работы двигателя, а также уменьшается ресурс двигателя.
Из-за шарнирного закрепления штока с поршнем невозможно уменьшить высоту поршня, а соответственно двигатель имеет большие габариты.
Технический результат: увеличение удельной мощности двигателя из-за повышения его максимального числа оборотов и отсутствия паразитных пространств, повышение надежности и долговечности благодаря тому, что силы, действующие на поршень при его работе, направлены вдоль оси цилиндров, а боковая составляющая стремится к нулю, уменьшение габаритов и снижение массы за счет уменьшения размеров шатуна, поршня, коленчатого вала и зубчатого зацепления, а также повышение экономичности двигателя в результате уменьшения трущихся поверхностей, вращающихся и движущихся масс.
Это достигается тем, что кривошипно-шатунный механизм состоящий из цилиндров, коленчатых валов, расположенных симметрично относительно оси цилиндров и связанных между собой зубчатым зацеплением, шатунов, связанных со штоком и с соответствующим коленчатым валом, имеет поршни цилиндров, жестко соединенные между собой штоком. При жестком соединении поршней со штоком отсутствует опрокидывающий момент поршня, что позволяет уменьшить его высоту до минимума и обеспечить уплотнение во избежание утечки газов между поршнем и цилиндром. Расположение коленчатых валов на расстоянии от оси штока, которое позволяет кривошипу и шатуну занимать положение, перпендикулярное оси штока при совершении каждым коленчатым валом 720° за два хода поршня
дает возможность повысить максимальное число оборотов двигателя. При этом, высота поршня уменьшается в 2-2,5 раза, а длина шатуна в 3-4 раза. Увеличение хода поршня более, чем в два раза приводит к более полному сгоранию топлива.
Сущность полезной модели поясняется фигурами.
На фиг.1 показан кривошипно-шатунный механизм в момент расположения поршня в верхней мертвой точке (ВМТ), которая соответствует началу рабочего хода.
На фиг.2 показан кривошипно-шатунный механизм, когда кривошип и шатун каждого коленчатого вала одновременно занимают положение, перпендикулярное оси штока, не создавая препятствие движению штока.
Кривошипно-шатунный механизм состоит из цилиндров 1 и 10, оппозитно расположенных по отношению к друг другу, где поршни 2 и 9 жестко соединены общим штоком 3. Коленчатые валы 4 и 5 расположены симметрично относительно оси цилиндров и связаны между собой зубчатым зацеплением 6. Шатуны 7 связаны со штоком 3 и с соответствующим коленчатым валом. Коленчатые валы 4 и 5 расположены на таком расстоянии от оси штока 3, что кривошипы 8 и шатуны 7 могут занимать одновременно или поочередно положение, перпендикулярное оси штока 3. За два хода поршня - коленчатый вал совершает два полных оборота 720°, что дает возможность повысить максимальное число оборотов у серийного двигателя до 10000 оборотов в минуту бензинового двигателя, а дизельного до 8000 оборотов в минуту. В данном механизме оси цилиндров совпадают с осью поршня и штока.
Кривошипно-шатунный механизм работает следующим образом: в начале рабочего хода поршень 2 находится в верхней мертвой точке (ВМТ). При рабочем ходе усилие от поршня 9 передается через шток 3 и шатуны 7 на коленчатые валы 4 и 5, приводя их во вращение в направлении, указанном стрелками. Коленчатые валы 4 и 5 соединены между собой зубчатым зацеплением 6 с передаточным числом n=1, что обеспечивает их синхронное вращение в противоположные стороны. Прохождение среднего положения обеспечивается за счет кинетической энергии коленчатых валов и давления газов на поршень. Рабочие процессы протекают в цилиндрах попеременно. При рабочем процессе в цилиндре 10 при прохождении поршнем 9 путь от верхней мертвой точки до нижней
мертвой точки валы 4 и 5 вращаются в направлении, указанном стрелками, и совершают поворот на 480° каждый (прямой ход), а в цилиндре 1 коленчатые валы 4 и 5 совершают поворот на 240° каждый (обратный ход). Таким образом, за два хода поршня коленчатые валы совершают два полных оборота на 720° (изготовлен макет кривошипно-шатунного механизма и проведены измерения).
Применение усовершенствованного кривошипно-шатунного механизма позволяет создавать новые двигатели с увеличенной удельной мощностью до 100%, уменьшенной массой до 10%, увеличенным ресурсом на 20-30%, увеличенным максимальным числом оборотов до 70% и крутящим моментом до 40%.