БЕСШАТУННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH NO CON RODS

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям с рычажным механизмом преобразования, и может быть использовано в конструкциях машин, требующих по условиям работы разгрузки поршня от действия боковых сил.
Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (US 5503038 А, Кл. F02B 75/22, опубл. 02.04.1996), содержащий цилиндры, размещенные в них поршни, штоки, жестко соединенные с поршнями и связанные с ползунами, установленными с возможностью возвратно-поступательного перемещения совместно со штоками вдоль направляющих параллельно стенкам цилиндров, и коленчатый вал, снабженный эксцентриками, расположенными в отверстиях ползунов с возможностью вращения.
Недостатками данного двигателя являются значительные боковые силы на стенки направляющих и инерционные силы, приводящие к потерям на трение, снижающие мощность и кпд, а также ресурс при значительной его массе.
Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания (Пат. РФ № 2183755, МПК F02B 75/32, 1999), содержащий цилиндры, размещенные в них поршни, штоки, жестко соединенные с поршнями и связанные с коленчатым валом через механизм разгрузки поршня от действия боковых сил. Механизм разгрузки поршня от действия боковых сил представляет собой ползун, связанный со штоком с возможностью возвратно-поступательного перемещения вместе со штоком вдоль направляющих параллельно стенкам цилиндра, а коленчатый вал снабжен эксцентриками, расположенными в отверстиях ползунов с возможностью вращения. Двигатель снабжен дополнительными направляющими, расположенными перпендикулярно осям цилиндров, и дополнительным ползуном, размещенным между цилиндрами с возможностью перемещения вдоль дополнительных направляющих.
Недостатком данного двигателя является сложность конструкции механизма разгрузки поршня от действия боковых сил. Наличие ползуна увеличивает долю механических потерь, поскольку сам ползун не свободен от действия боковых сил, приводящих к потерям на трение. Значительные боковые и инерционные силы, приводящие к потерям на трение, снижают мощность, кпд и ресурс двигателя. Ползун применяется обычно на тихоходных машинах и для обеспечения его нормальной работы необходима жидкая смазка поверхностей трения, наличие которой нежелательно в ряде поршневых машин.
Известна поршневая машина (А.с. СССР № 1121470, Кл. F02B 75/32, 1983, прототип), содержащая картер с размещенным в нем коленчатым валом, по меньшей мере один цилиндр, закрепленный на картере, и поршень со штоком, размещенный в цилиндре и подсоединенный к коленчатому валу через механизм разгрузки поршня от действия боковых сил, и шатун. Механизм разгрузки поршня от действия боковых сил выполнен в виде втулки с двумя проушинами, жестко закрепленной на картере, и двух тяг с рычагами, подвижно установленных в цилиндре, причем тяги шарнирно подсоединены к проушинам и рычагу, а последний подвижно подсоединен к шатуну и штоку.
Недостатком известной поршневой машины является сложность конструкции механизма разгрузки поршня от действия боковых сил, содержащего две тяги, двухплечный рычаг, по крайней мере пять пальцев, шатун, и, вследствие чего, имеющего большое количество пар трения (не менее восьми в данной конструкции). Потери на трение приводят к снижению мощности, кпд и ресурса двигателя.
Задачей изобретения является упрощение конструкции механизма разгрузки поршня от действия боковых сил.
Технический результат, полученный от решения поставленной задачи, заключается в повышении ресурса, мощности и теплового кпд двигателя, улучшении топливной экономичности и его инерционных качеств. Двигатель становится более экологически чистым, поскольку масло испытывает меньшие динамические нагрузки и поэтому меньше нагревается и гораздо медленнее стареет. Снижается объем картерных газов и, как следствие, снижается токсичность двигателя.
Поставленная в изобретении задача решена тем, что в бесшатунном двигателе внутреннего сгорания, содержащем картер с установленным в нем коленчатым валом, цилиндром, в котором размещен поршень со штоком, механизмом разгрузки поршня от действия боковых сил, включающим рычаг, и маховик, в качестве рычага используют коленчатый вал, по крайней мере с двумя шатунными шейками, с одной из которых посредством шарнира соединен шток, а на другой размещен противовес, выполненный в виде ролика с балансировочным грузом, с возможностью перемещения в направляющих опорах, расположенных перпендикулярно оси поршня, а ось вращения маховика смещена относительно коренной шейки коленчатого вала на величину его плеча. Направляющие опоры выполнены в виде корпусных элементов, жестко связанных с картером. Кроме того, шток двигателя может быть жестко соединен с другим таким же противоположно-соосным поршнем.
Благодаря заявленной конструкции механизма разгрузки поршня от действия боковых сил к коленчатому валу через рычаг, равный двум плечам коленчатого вала, вдоль оси поршня будет приложена удвоенная по сравнению с силой давления газа в поршне сила, а сила трения поршня о поверхность цилиндра уменьшится и теоретически будет стремиться к нулю. Таким образом, шток, движущийся вдоль оси поршня, практически не будет испытывать влияния боковых сил, в результате чего увеличится ресурс двигателя, а также его мощность и кпд.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 изображена принципиальная схема бесшатунного двигателя внутреннего сгорания с одним цилиндром, верхнее положение поршня; на фиг.2 - 8 - то же, промежуточное положение поршня; на фиг.9 изображена принципиальная схема бесшатунного двигателя внутреннего сгорания с двумя поршнями.
Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержит картер 1 с установленными в нем коленчатым валом 2, цилиндром 3, в котором размещен поршень 4 со штоком 5, а также механизмом разгрузки поршня от действия боковых сил, выполненным в виде рычага 6, и маховик 7. В качестве рычага 6 используют коленчатый вал 2, по крайней мере с двумя шатунными шейками 8 и 9. С одной 8 из них посредством шарнира 10 соединен шток 5, а на другой 9 размещен противовес, выполненный в виде ролика 11 с балансировочным грузом, с возможностью перемещения в направляющих опорах 12, расположенных перпендикулярно оси поршня 4. Направляющие опоры 12 выполнены в виде корпусных элементов, жестко связанных с картером 1. Коренная шейка 13 служит для крепления маховика 7, причем ось вращения 14 маховика 7 смещена относительно коренной шейки 13 на величину плеча L коленчатого вала 2. Поршень 4 уравновешивается балансиром 15.
Конструкция бесшатунного двигателя внутреннего сгорания позволяет с противоположной стороны штока 5 подсоединить второй противоположно-соосный поршень 4 с тем же противовесом 11 и одной коренной шейкой 13. Второй цилиндр 3, как и первый, не будет испытывать боковой силы трения поршня в цилиндре.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
При движении поршня 4 шток 5 через шарнир 10 перемещает в направляющих опорах 12 ролик 11, связанный рычагом 6 с шатунной 9 и коренной 13 шейками коленчатого вала 2, и осуществляет его поворот в данном случае против часовой стрелки. Движение ролика 11 происходит перпендикулярно движению поршня 4, при этом положение ролика 11 будет находиться на оси движения поршня 4 в крайних точках его положения.
Благодаря заявленной конструкции механизма разгрузки поршня от действия боковых сил к коленчатому валу 2 через рычаг 6 вдоль оси поршня 4 будет приложена удвоенная по сравнению с силой давления газа в поршне 4 сила, что увеличит крутящий момент, сила трения поршня 4 о поверхность цилиндра 3 уменьшится и теоретически будет стремиться к нулю, что позволит разгрузить поршень 4 от действия боковых сил и тем самым уменьшить долю механических потерь, увеличить ресурс двигателя и его кпд.
Промышленная осуществимость заявленного изобретения.
Изготовлен и испытан опытный образец заявленного бесшатунного двигателя внутреннего сгорания, для чего использован обычный одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, содержащий установленный в корпусе поршень, шарнирно соединенный с ним шатун, который, в свою очередь, шарнирно присоединен к коленчатому валу, и закрепленный на коленчатом валу маховик. Сила давления газа на поршень вдоль его оси распределяется в данном двигателе по двум направлениям: вдоль шатуна - давит на коленчатый вал, заставляя вращаться маховик, и на стенку цилиндра, в котором движется поршень, - боковая сила трения поршня в цилиндре, которая снижает срок работы двигателя из-за их износа.
В обычном двигателе внутреннего сгорания выполняют смещение крепления коленчатого вала 2 относительно центра вращения 14 маховика 7 на длину плеча L коленчатого вала 2. Переместив коренную шейку 13 коленчатого вала 2 от центра 14 маховика 7 на длину плеча L коленчатого вала 2 и установив перпендикулярно оси поршня 4 направляющие опоры 12 для противовеса 11, выполненного в виде ролика с балансировочным грузом, видим, что шток 5 будет двигаться вдоль оси поршня 4, а плечи L коленчатого вала 2 будут тем самым рычагом 6. Таким образом, создание такого простого двигателя не требует коренной перестройки обычного двигателя. Фактически трение в боковых высокотемпературных точках (камера сгорания) поршня 4 переносится на трение в направляющих опорах 12 картера 1, являющихся низкотемпературными точками трения (картер) двигателя. Удается существенно уменьшить боковую силу трения поршня в цилиндре, увеличив тем самым ресурс, кпд, мощность двигателя внутреннего сгорания за счет уменьшения инерционных и боковых сил трения.
В настоящее время проведена конструкторская разработка данного типа двигателя, позволяющая в обычных двигателях заменить коленчатый вал с шатунами на шток с новым коленчатым валом и при этом не трогать другого навесного оборудования двигателя с любым количеством цилиндров. Такой двигатель имеет небольшие массу и габариты, компактен, отличается низкой токсичностью, экономичен, имеет хороший ресурс, высокие мощность и кпд.