Бесшатунный поршневой двигатель
CRANK ROD-FREE PISTON ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, в частности к бесшатунным поршневым двигателям.
Известны бесшатунные двигатели (Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. С.С. Баландин, М.: Машиностроение, 1968 г., с. 9, 14), состоящие из корпуса, цилиндров, расположенных Y-образно и X-образно, звездообразно или под различными углами относительно друг друга, поршни и штоки с преобразующим механизмом не совершают угловых качаний. Преобразующий механизм основан на кинематике "точного прямила" и два поршня жестко соединены со штоком, действующим на коленчатый вал, который вращается в кривошипах с зубчатыми венцами.
Недостатками устройства являются: необходимое количество цилиндров, кратное четырем; значительный осевой габарит; несоосное расположение цилиндров; наличие коленчатого вала и сложного по конструкции и технологии изготовлению механизма преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное; невозможность регулирования степени сжатия.
Известна поршневая машина с бесшатунным преобразованием возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала, см. авт. св. 1771513, кл. F01В 9/02, содержащая корпус с оппозитно расположенными цилиндрами, в которых размещены двухпоршневые штоки, без крейцкопфных направляющих, связывающие поршни с шейками коленчатого вала, выполненного из двух и более частей и каждая часть которого смонтирована в отдельной эксцентричной втулке с возможностью соосного вращения всех втулок в корпусе в противоположных друг другу направлениях и связанных с зубчатыми колесами и выходным валом; шарнирная муфта жестко связана с двухпоршневым штоком, установленным с возможностью возвратно-поступательного движения в цилиндрах, расположенных под прямым углом к другим цилиндрам.
К недостаткам известного устройства можно отнести: сложность конструкции, наличие коленчатого вала, эксцентричных втулок, шарнирной муфты, зубчатых колес, выходного вала, т.е. сложного по конструкции и изготовлению преобразующего механизма; большая металлоемкость конструкции; необходимое количество цилиндров, кратное четырем; работа на определенном виде топлива; невозможность регулирования сжатия в цилиндрах.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному – прототипом - является бесшатунный поршневой двигатель, см. патент РФ №2122638, содержащий корпус, расположенные рядно и/или оппозитно цилиндры, поршни, размещенные в цилиндрах с образованием рабочих камер, жестко соединенные с поршнями штоки, маховик, кривошип с опорной и штоковой шейками и щекой, кинематически связанный с поршнями посредством применения кулисного механизма преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращение вала, включающего кулису, соединенную с перпендикулярно прикрепленными к ней штоками, кулисный камень, размещенный в кулисе и имеющий отверстие, в котором с возможностью вращения расположена штоковая шейка кривошипа, при этом двигатель снабжен ползуном, противовесом и электродвигателем, в щеке кривошипа выполнен паз, ось которого перпендикулярна осям штоковой и опорной шеек кривошипа, в пазу кривошипа размещены ползун, редуктор и противовес, кинематически связанные между собой с возможностью поступательного движения ползуна и противовеса в пазу кривошипа, причем ползун жестко соединен со штоковой шейкой кривошипа, а редуктор установлен на валу электродвигателя, размещенного внутри опорной шейки кривошипа.
К недостаткам известного двигателя-прототипа можно отнести неравномерность нагрузки на кулису, приводящая к воздействию нагрузки под углом относительно хода ползунов, что приводит к повышенному износу. Воздействие центробежной силы на кривошип приводит к вибрации механизма, приводящей также к повышенному его износу и возможному разрушению.
Техническим результатом предложенного двигателя является устранение недостатков прототипа, в частности создание двигателя, обеспечивающего равномерную нагрузку на кулису, предотвращающего вибрацию и повышенный износ.
Поставленный технический результат достигается сочетанием использования общих с прототипом известных признаков, включающих корпус с расположенными рядно и/или оппозитно цилиндрами, поршни со штоками и механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, выполненный в виде маховика, смонтированного на кривошипе, кулисы, соединенной посредством кулисного камня с кривошипом, штоками поршней, связанных с кулисами, и новых признаков, заключающихся в том, что двигатель снабжен дополнительной группой поршней с кривошипом, связанной с первой группой поршней при помощи зубчатого зацепления, смонтированного на кривошипах, при этом кривошипы механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное смонтированы симметрично.
Шейки кривошипов групп поршней, связанные при помощи кулисных камней с кулисами, смонтированы на одинаковом расстоянии от ползунов.
Новизной бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания является наличие дополнительной группы поршней с кривошипом, связанной с первой группой поршней при помощи зубчатого зацепления, смонтированного на кривошипах обеих групп, при этом кривошипы механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное смонтированы симметрично.
Так, наличие дополнительной группы поршней с кривошипом, связанной с первой группой поршней при помощи зубчатого зацепления, смонтированного на кривошипах обеих групп в сочетании с тем, что кривошипы механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное смонтированы симметрично, позволяет равномерно распределить нагрузку от поршней каждой группы на каждую кулису. При симметричном расположении шеек кривошипов, связанных при помощи кулисных камней с кулисами, и вращении кривошипов навстречу друг другу, обусловленным зубчатым зацеплением, воздействие нагрузки от поршней на каждую кулису происходит одновременно и всегда на одинаковом расстоянии от ползунов. Такое конструктивное выполнение двигателя позволяет достичь поставленного изобретением технического результата.
Признак выполнения (соединения) шеек кривошипов групп поршней, связанных при помощи кулисных камней с кулисами, на одинаковом расстоянии от ползунов позволяет при вращении кривошипов в противоположные стороны всегда находится симметрично друг другу и на одинаковом расстоянии от ползунов, либо на минимально приближенном расстоянии, либо на максимально удаленном расстоянии шеек кривошипов друг от друга.
Согласно проведенным патентно-информационным исследованиям сочетания известных и новых признаков предлагаемого изобретения в источниках патентной и научно-технической информации не обнаружено, что позволяет отнести признаки к обладающим новизной.
Поскольку предложенное сочетание признаков не известно из существующего уровня техники, и не вытекает из него явным образом, и позволяет получить более высокий и даже неожиданный результат, то предлагаемые существенные признаки и их сочетание можно считать имеющими изобретательский уровень.
Описание осуществления предлагаемого способа, в том числе на конкретном примере, позволяет отнести его к промышленно выполнимым.
На фиг. 1 схематично представлен предлагаемый двигатель с двумя группами поршней.
На фиг. 2 схематично показан разрез двигателя по линии Б-Б на фиг. 3.
На фиг. 3 схематично показан разрез двигателя по линии А-А на фиг. 2.
Предлагаемый в качестве изобретения бесшатунный поршневой двигатель состоит из блока цилиндров 1, в котором смонтированы поршни 2 со штоками 3, связанными с кулисами 4. Кулисы 4 при помощи кулисный камней 5 связаны с кривошипами 6 и 7, которые связаны друг с другом при помощи зубчатого зацепления 8. Кулисы 4 связаны с ползунами 9. Каждый кривошип снабжен маховиком 10.
Бесшатунный поршневой двигатель работает следующим образом.
Воздушно-топливная смесь, попадая в камеру сгорания двигателя, воспламеняется и, создавая давление, воздействует в каждой группе поршней 2 на один из них. При двух группах поршней давление создают одновременно два, например два крайних правых поршня см. на фиг. 1. Поршни под действием давления перемещаются вдоль цилиндров и через штоки 3 давят на кулису 4, которая начинает перемещаться вниз вдоль двух расположенных по бокам ползунов 9. Одновременно при этом кулиса 4 через кулисные камни 5 давит на шейки кривошипов 6 и 7, которые приводят во вращение колеса зубчатого зацепления 8 и перемещают все кулисы, которые через кулисные камни 5 кулисы воздействуют на поршни. Зубчатые колеса соединены между собой и вращаются в противоположные стороны с одинаковой угловой скоростью. Одновременно получают вращение и смонтированные на кривошипах маховики 10, которые стабилизируют вращение. При перемещении поршней 2 в соответствии с заданным порядком зажигания происходят процессы всасывания топливной смеси, ее сжатие, воспламенение и рабочий ход. При этом, в связи с тем, что кривошипы групп поршней связаны друг с другом посредством зубчатого зацепления 8, работа поршней в каждой группе осуществляется синхронно и одновременно. При этом шейки кривошипов через кулисные камни 5 постоянно воздействуют на кулисы на одинаковом расстоянии от ползунов 9, что предотвращает неравномерность распределения нагрузки и, как результат, предотвращает износ двигателя. Так, например, симметричное расположение кривошипов 6 и 7, при рассмотрении работы крайних правых поршней двигателя, позволяет шейкам кривошипов находиться на одинаковом расстоянии от ползунов 9, уравновешивая прилагаемые к кулисам нагрузки, либо на минимальном расстоянии, когда шейки кривошипов обращены друг к другу, либо на максимальном расстоянии, когда шейки кривошипов приближены к ползунам 9. Промежуточные положения шеек кривошипа также находятся симметрично друг другу и уравновешивают все имеющиеся нагрузки двигателя, прилагая их на одинаковом расстоянии от ползунов 9.
В настоящее время автором изготовлена модель двигателя, имитирующего его работу. Предварительная проработка кинематики работы двигателя показала положительные результаты.