ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в двигателях внутреннего сгорания, насосах и компрессорах.
В настоящее время существует большое количество устройств, которые используют тепловое расширение газов. К таким устройствам, в первую очередь, относятся поршневые двигатели. В современных энергетических установках эти двигатели приобрели наибольшее распространение. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу. Но вместе с позитивными качествами поршневых двигателей, им свойственны и ряд недостатков. Одним из таких недостатков следует считать передачу с помощью шатунов возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Такая передача является причиной появления неуравновешенных сил, боковая составляющая которых, вызывает значительное трение поршня о стенки цилиндра. Именно это трение составляет 40-50% всех механических потерь в поршневом двигателе, что существенно снижает коэффициент полезного действия этого вида двигателей. Проблема снижения трения в паре цилиндр поршня развязывалась по-разному.
Так, например, известный поршневой двигатель, который содержит картер с цилиндром, в котором размещенный поршень, сочленовный с системой противовеса, который состоит из рычага с крейцкопфом и направляющей, что позволяет уравновесить боковые силы [см. патент Великобритании №1471447 по классу F 01 N опубликованный в 1977 г.].
Недостатком этого поршневого двигателя является его значительные габаритные размеры, что обусловлено размещением крейцкопфа в верхней части картера, между цилиндром
и коленчатым валом. К тому же, именно такое размещение крейцкопфа усложняет конструкцию известного поршневого двигателя.
Этот недостаток устранен в поршневом двигателе, который содержит картер с цилиндром, в котором размещенный поршень, сочленовный с системой противовеса, которая состоит из рычага с крейцкопфом и направляющей, что позволяет уравновесить боковые силы. При этом направляющая выполнена в нижней части картера. Крейцкопф соединен с коленчатым валом и шатуном. При работе двигателя вращательное движение коленчатого вала преобразуется в возвратно-поступательное движение крейцкопфа, который служит противовесом поршню. Благодаря выполнению направляющей именно в нижней части картера, габаритные размеры поршневого двигателя уменьшаются [см. авторское свидетельство СССР №905499 по классу F 02 В 9/00, F 02 В 25/00 опубликованное в 15.02.82 г. в Бюл. №6].
Несмотря на то, что в известном поршневом двигателе рычажная система в некоторой степени устраняет действие боковой силы на поршень, все же трение поршня о стенки цилиндра остается достаточно большим, что приводит к значительной потере мощности в таком двигателе и это является его существенным недостатком.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемым за прототип, является поршневой двигатель, который содержит цилиндр, в котором размещенный поршень, и картер, в котором симметрично расположены два коленчатых вала, связанные между собой зубчатыми шестернями и с поршнем с помощью двух шатунов, которые вращаются в противоположные стороны. Наличие двух коленчатых валов позволяет уменьшить трение поршня о стенки цилиндра [см. патент России №2089739 по классу F 02 В 75/32 опубликованный в 10.09.1997 году].
Основным существенным недостатком известного поршневого двигателя является сложность его конструкции и значительные габаритные размеры, поскольку для уменьшения
трения поршня о стенки цилиндра необходимо ввести в конструкцию дополнительный коленчатый вал и синхронизировать его работу с первым коленчатым валом с помощью зубчатых шестерен. При этом, несмотря на уменьшение сил трения поршня о стенки цилиндра, при такой конструктивной схеме поршневого двигателя появляются дополнительные силы трения в подшипниковых узлах второго коленчатого вала, которые снижают коэффициент полезного действия двигателя, некоторое повышение которого достигнуто за счет уменьшения трение в блоке поршень-цилиндр.
В основу полезной модели поставлена задача уменьшения габаритных размеров и веса поршневого двигателя с одновременным упрощением его конструкции и повышения коэффициента полезного действия за счет изменения схемы передачи усилия поршня на коленчатый вал путем использования промежуточной конической передачи для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение одного коленчатого вала.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в поршневом двигателе, который содержит цилиндр, в котором размещен поршень, картер, в котором установлен коленчатый вал, связанный с поршнем с помощью двух шатунов, вращающихся в противоположные стороны, согласно предложения, шатуны связаны с коленчатым валом с помощью кривошипов, установленных на двух конических зубчатых шестернях, взаимодействующих с синхронизирующей конической зубчатой шестерней, закрепленной на коленчатом валу.
Благодаря замене второго коленчатого вала парой зубчатой передачи с коническими шестернями (зубчатая пара, но с цилиндровыми шестернями, присутствует в прототипе, то есть этот узел в новой конструкции практически сохранен, но использован другой вид шестерен), появляется конструктивная возможность значительно уменьшить вес и габариты двигателя при сохранении аналогичных показателей по трению.
Благодаря распределению нагрузки на поршень поровну между двумя коническими шестернями, поршень полностью освобождается от действия боковых сил, становится свободноплавающим и двигатель полностью освобождается от трения поршня о стенки цилиндра, а распределение нагрузки между коническими шестернями снижает коэффициент трения в подшипниках, шатунах и в зубчатых передачах, что, в целом, позволяет значительно повысить коэффициент полезного действия поршневого двигателя предложенной конструкции.
Дальнейшая сущность предложенного технического решения поясняется иллюстративных материалом, на котором изображено следующее: фиг.1. - схема предложенного поршневого двигателя; фиг.2 - то же самое, вид сбоку.
Предложенный поршневой двигатель, состоит из цилиндра 1, в котором размещен поршень 2. На поршневом пальце 3 установлены два шатуна 4, которые соединены с кривошипами 5, каждый из которых, в свою очередь, кинематически соединенный с одной из конических шестерен 6, установленных в картере 7. Шатуны 4 обеспечивают вращение кривошипов 5, а значит, и конических шестерен 6 в противоположных направлениях. Каждая из конических шестерен 6 входит в зацепление с синхронизирующей конической шестерней 8, которая служит для компенсации неточностей изготовления деталей двигателя, и которая закреплена на коленчатом валу 9.
Благодаря наличию в конструкции двух кривошипов 5, реактивный момент автоматически выносится из цилиндра 1 двигателя на конические шестерни 6. Поэтому поршень 2 не оказывает давления на стенки цилиндра 1. Поршень 2 свободно плавает в цилиндре 1, что резко снижает трение в контактирующих поверхностях, а значит, уменьшается их износ и увеличивается передаточная мощность.
Предложенный поршневой двигатель работает следующим образом.
Поршень 2 осуществляет возвратно-поступательные движения в цилиндре 1. Вместе с поршнем 2 перемещаются шатуны 4, осуществляя колебания в противоположные стороны. Концы шатунов 4, соединенные с кривошипами 5, осуществляют вращательные движения в противоположные стороны. Кривошипы 4, в свою очередь, вызывают вращение конических шестерен 6 также в противоположные стороны. Поскольку конические шестерни 6 расположены по разные стороны от синхронизирующей конической шестерни 8, то вызывают ее вращение в одну сторону. Поскольку вращающий момент от каждой конической шестерни 6 прикладывается к синхронизирующей конической шестерне 8 с диаметрально противоположных сторон и направленный в противоположные стороны, последняя компенсирует неточности изготовления деталей в зазоры в сочленениях, исключая возникновение боковых сил в контактирующих поверхностях цилиндра 1 и поршня 2. Вращающий момент от синхронизирующей конической шестерни 8 передается коленчатому валу 9.
Существенное отличие заявленного технического решения, по сравнению с раннее известными, заключается в том, что в конструкции поршневого двигателя для компенсации бокового усилия на поршень, вместо дополнительных коленчатых валов использована коническая передача, которая входит в зацепление с синхронизирующей конической шестерней, которая служит для компенсации погрешностей изготовления деталей двигателя, то есть, использован другой конструктивный подход для решения той же задачи. Указанное отличие позволяет аналогично раскладывать усилие поршня на два симметричных, но противоположно направленных, вращающих момента, и таким образом исключить трение в контактирующей паре цилиндр-поршень. Но при такой конструктивной схеме намного уменьшаются вес и габариты поршневого двигателя. Ни один из известных поршневых двигателей не может обладать отмеченными свойствами, поскольку в качестве компенсатора
бокового давления поршня на стенки цилиндра, так или иначе, у них используют дополнительные коленчатые валы в разных вариациях.
К техническим преимуществам предложенного поршневого двигателя, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:
- снижение потерь мощности за счет отсутствия бокового давления в цилиндровом блоке и, как следствие, отсутствие трения в указанном блоке;
- уменьшение износа поверхностей, которые контактируют между собой, за счет отсутствия трения между ними;
- увеличение моторесурса за счет уменьшения износа;
- повышение коэффициента полезного действия за счет снижения потерь мощности.
Экономический эффект от внедрения предложенной полезной модели, по сравнению с использованием прототипа, получают за счет высокой топливной экономичности двигателя (в 1,5-1,7 раз в сравнении с обычными двигателями) как следствие высокой степени сжатия в камере сгорания (e>30), а также возможности работы двигателя на сильно обедненных топливных смесях.