Кривошипно-шатунный механизм двигателя Стирлинга типа α

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности к двигателям Стирлинга типа α.
Известен двигатель Стирлинга типа α, состоящий из двух взаимно перпендикулярных цилиндров - горячего и холодного, содержащих внутри себя поршни, шарнирно соединенные с шатунами, которые в свою очередь шарнирно соединены с общей шатунной шейкой коленчатого вала, что обеспечивает движение поршней в цилиндрах со сдвигом по фазе на 90°. Этот тип двигателя особенно эффективен при использовании низкопотенциальных источников тепла таких как, например, геотермальные (информационный ресурс: https://wiki.zr.ru/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D1%80%D 0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0).
К основным недостаткам аналога относятся значительные боковые нагрузки, воздействующие на стенки цилиндров при наклонном положении шатунов, что ведет к повышенным потерям на трение и износу боковых поверхностей цилиндров и поршней.
Известен поршневой двигатель с двумя парами взаимно перпендикулярно расположенных цилиндров, в котором движение поршней в соседних цилиндрах, как и в аналоге, осуществляется со сдвигом по фазе на 90° (АС СССР №118471, опубл. 10.12.1973 г., БИ №47). В этом двигателе поршни, помещенные в соосные цилиндры, соединены штоками снабженными крейцкопфами, центры штоков надеты на внутренние шейки коленчатого вала и закреплены на концах средней щеки коленчатого вала по разные ее стороны, внешние шейки коленчатого вала, закрепленные на его крайних щеках, помещены в отверстия кривошипов, снабженных зубчатыми колесами, входящими в зацепление с зубчатыми колесами, надетыми на соединительный синхронизирующий вал, оси внешних шеек коленчатого вала лежат на прямой, проходящей через центр средней щеки в плоскости, совпадающей с осями внутренних шеек. Например, данный механизм использован в двигателе внешнего сгорания Стирлинга типа α (АС СССР №376590, опубл. 05.04.1973 г., БИ №17).
Данный двигатель внутреннего сгорания выбран в качестве прототипа предлагаемой заявки на полезную модель, как наиболее близкий по конструкции механической части.
Недостатки прототипа обусловлены кинематической схемой механизма, имеющей избыточные связи между элементами, что требует повышенной точности изготовления и приводит к заклиниванию двигателя.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышении надежности двигателя Стирлинга типа а, в котором использована крестообразная схема расположения цилиндров.
Для достижения названного технического результата в заявляемом кривошипно-шатунном механизме двигателя Стирлинга типа α, содержащем две пары взаимно перпендикулярных цилиндров, поршни, помещенные в соосные цилиндры, соединены штоками, центры которых надеты на внутренние шейки коленчатого вала и закрепленные на концах средней щеки коленчатого вала по разные ее стороны, внешние шейки коленчатого вала, закрепленные на крайних щеках коленчатого вала, помещены в отверстия в кривошипах, снабженных зубчатыми колесами, входящими в зацепление с зубчатыми колесами, надетыми на соединительный синхронизирующий вал, на коленчатом валу крайние щеки шарнирно соединены с внутренними шейками, выступающими из отверстий в штоках.
Отличительным признаком предлагаемого кривошипно-шатунного механизма является шарнирное соединение крайних щек с внутренними шейками коленчатого вала.
Благодаря наличию этих признаков устранены причины заклинивания двигателя за счет удаления избыточных связей в кинематической схеме, что ведет к повышению надежности работы двигателя.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлена диметрическая проекция кинематической схемы кривошипно-шатунного механизма двигателя.
На фиг. 2 - совмещенный разрез кинематической схемы параллельными плоскостями, проходящими через оси цилиндров.
На фиг. 3 - разрез кинематической схемы кривошипно-шатунного механизма двигателя, плоскостью совпадающей с одной из осей цилиндров параллельной осям кривошипов и соединительного синхронизирующего вала.
Предлагаемый кривошипно-шатунный механизм содержит две пары цилиндров 1-4 с помещенными в них поршнями 5-8, связанными между собой штоками 9 и 10, коленчатый вал, включающий среднюю щеку 11 с внутренними шейками 12 и 13, крайние щеки 14 и 15 с внешними шейками 16 и 17, кривошипы 18 и 19 с зубчатыми колесами 20 и 21, соединительный синхронизирующий вал 22 с зубчатыми колесами 23 и 24.
Кривошипно-шатунный механизм работает следующим образом.
Поочередный нагрев газа в горячих цилиндрах 1 и 3 (фиг. 2) вызывает переменное по направлению движение штока 9. Шарнирно связанный с ним посредством средней щеки 11 коленчатого вала шток 10 приводит в движение поршни 6 и 8, размещенные в холодных цилиндрах 2 и 4 для охлаждения горячего газа и подачи охлажденного газа в горячие цилиндры 1 и 3. Соединенные со штоками 9 и 10 с помощью крайних щек 14 и 15 коленчатого вала приводятся во вращение кривошипы 18 и 19 с закрепленными на них зубчатыми колесами 20 и 21, входящими в зацепление с зубчатыми колесами 23 и 24, закрепленными на соединительном синхронизирующем валу 22, который обеспечивает отсутствие перекосов в работе предлагаемого кривошипно-шатунного механизма и отбор мощности от двигателя. Вследствие симметричного расположения средней щеки 11 и крайних щек 14 и 15 коленчатого вала относительно штоков 9 и 10 при любом угле поворота кривошипов 18 и 19 поперечные составляющие усилий, возникающих в щеках 11, 14 и 15 коленчатого вала, компенсируют друг друга, и давление поршней 5-8 на стенки цилиндров 1-4 практически отсутствует, что позволяет отказаться от крейцкопфов и устранить опасность заклинивания двигателя.