Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания
ROD FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к бесшатунным поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве силового агрегата в транспортных машинах, а также в других передвижных и стационарных устройствах.
Известен классический поршневой двигатель внутреннего сгорания, состоящий из картера с расположенными в нем цилиндрами, поршней и кривошипно-шатунного механизма. Одним из недостатков такого двигателя является наличие кривошипно-шатунного механизма, в котором шатуны, соединенные с поршнями, совершают при работе двигателя возвратно-поступательные и колебательные движения, что влечет за собой возникновение сил, перпендикулярных осям цилиндров и прижимающих поршни к стенкам цилиндров (Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование: Учебник для ВУЗов/ В.Н. Луканин, А.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005. - 400 с.). Вследствие действия таких сил возникают значительные потери на трение между поршнем и стенкой цилиндра, что ведет к увеличению тепловыделения, снижению КПД и износу поверхностей поршня и стенок цилиндра. Данное обстоятельство ограничивает максимальную скорость движения поршней величиной 15 м/с, что сдерживает возможность форсирования двигателей внутреннего сгорания путем увеличения числа оборотов коленчатого вала.
Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала со звездообразно расположенными цилиндрами. Поршни такого двигателя попарно жестко соединены штоками, сочлененными через подшипники со средними шейками коленчатого вала, имеющего вращение крайних шеек, с перемещением поршневых систем и связывающих их штоков по оси противолежащих цилиндров. Рабочий вал двигателя выполнен из двух частей с кривошипами, несущими подшипники для закрепления в них на радиусе одной четверти хода поршней, крайних шеек коленчатого вала, и снабжен соединительным валом, фиксирующим с помощью шестерен положение кривошипов обеих частей рабочего вала относительно друг друга (авторское свидетельство 118471, F01B 9/02 от 10.12.1973).
В таком двигателе штоки перемещаются по отношению к поршням, совершая возвратно-поступательные и колебательные движения, что ведет к возникновению сил, перпендикулярных осям цилиндров и прижимающих поршни к стенкам цилиндров, что влечет механические потери и снижение КПД двигателя. Также недостатками данного двигателя являются звездообразная компоновка и наличие сложного по конструкции, крупногабаритного коленчатого вала, что не соответствует компоновке двигателей, применяемых на транспортных машинах.
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому объекту является двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала со звездообразно расположенными цилиндрами, поршни которого с помощью штоков связаны роликовыми опорами на их концах с внутренними рабочими кромками беговой дорожки вращающегося диска, жестко закрепленного на валу. Беговая дорожка выполнена профильной с идентичными выступами и впадинами, расположенными в плоскости диска. Пары оппозитно расположенных цилиндров равномерно размещены по окружности диска, при этом цилиндры каждой пары смещены относительно их общей продольной геометрической оси в сторону, противоположную рабочему вращению диска, а штоки поршней связаны с направляющими пазами, жестко соединенными с блоком цилиндров. Смещение цилиндров относительно их общей продольной геометрической оси выполнено на расстояние, равное радиусу кривизны выступа беговой дорожки (патент на изобретение RU №2141046, прототип). Действие сил, перпендикулярных осям цилиндров и прижимающих поршни к стенкам цилиндров, исключается наличием дополнительных роликовых опор на концах штоков, передающих боковое давление стенкам направляющих пазов, вдоль которых перемещаются роликовые опоры.
Недостатком данной конструкции является то, что нагруженной боковой силой является кинематическая пара ролик-стенка направляющего паза, что в итоге ведет к механическим потерям и снижению КПД двигателя.
Для снижения внутренних механических потерь, повышения долговечности работы и возможности форсирования двигателя увеличением частоты вращения выходного вала путем исключения сил, перпендикулярных осям цилиндров и прижимающих к их стенкам поршни, предлагается бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндро-поршневую группу с штоками поршней, на которых расположены зубчатые рейки, входящие в зацепления с зубчатыми секторами, закрепленными на валах, передающих вращательно-колебательные движения установленным на их торцах на выходе из двигателя кривошипам, соединенным при помощи шарнирных рычагов с зубчатыми шестернями, входящими в зацепления с центральной шестерней, установленной на выходном валу двигателя совместно с маховиком.
Общие признаки с прототипом: цилиндро-поршневая группа, штоки поршней.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема одной цилиндро-поршневой группы со штоком поршня и зубчатыми секторами, закрепленными на валах бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 - общий вид со стороны выходного вала с зубчатыми и шарнирно-рычажным механизмами, поясняющие устройство и принцип работы бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из картера 1 с расположенными в нем цилиндром 2, внутри которого расположен поршень 3, соединенный со штоком 4, на котором расположены по две зубчатые рейки 5, входящие в зацепления с зубчатыми секторами 6, закрепленными на валах 7, кинематически связанных между собой установленными на их торцах на выходе из двигателя кривошипами 8, соединенными при помощи шарнирных рычагов 9 с зубчатыми шестернями 10, входящими в зацепления с центральной шестерней 11, установленной на выходном валу двигателя 12 совместно с маховиком 13.
Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Внутри цилиндра 2, находящегося в картере 1, расположен поршень 3, совершающий возвратно-поступательные движения от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ). Соединенные с поршнем 3 шток 4 и расположенные на них зубчатые рейки 5 также совершают возвратно-поступательные движения, приводя во вращательно-колебательные движения зубчатые секторы 6 и соединенные с ними валы 7, которые передают вращательно-колебательные движения установленным на их торцах на выходе из двигателя кривошипам 8. Соединенные с кривошипами 8 шарнирные рычаги 9 совершают возвратно-поступательные и колебательные движения и приводят во вращательное движение зубчатые шестерни 10, передающие вращательное движение центральной шестерне 11, вместе с ней выходному валу двигателя 12 и маховику 13. При возвратно-поступательных перемещениях поршня 3 в процессе работы двигателя внутреннего сгорания в полюсах зацеплений зубьев зубчатых реек 5 и зубьев зубчатых секторов 6 возникают тангенциальные силы, направленные вдоль оси штока 4, и радиальные силы (направленные перпендикулярно оси штока 4). Наличие на штоке 4 двух зубчатых реек 5 ведет к взаимному уравновешиванию радиальных сил и исключает возникновение сил, перпендикулярных осям цилиндров, прижимающих поршни к стенкам цилиндров. В предлагаемой конструкции бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания поршни расположены по рядной схеме, возможно V-образное или оппозитное расположение поршней. Количество поршней может быть, как и у любого двигателя внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, применяемом в транспортных машинах, а также в других передвижных и стационарных устройствах.
Применение предлагаемой конструкции позволяет снизить внутренние механические потери в цилиндро-поршневой группе двигателя, тем самым повысить долговечность его работы и создает предпосылки для форсирования путем повышения скорости перемещения поршней внутри цилиндров и увеличения частоты вращения выходного вала.