Пропонується схема парового двигуна на основі безшатунного механізму з нагріванням головки поршня гарячими газами і з пристроєм, який забезпечує захист масла від водяної пари.
Suggest a steam engine scheme on basis without-connecting-rod mechanism with heating a piston head hot gas and appliance to provide protection grease oil from water steam.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: безшатунний механізм, водяна пара, циліндр, поршень, протитиск, газовий стик, паровий двигун.

Людство вступило в епоху розвитку комп'ютерних та нанотехнологій. А розвиток двигунобудування загальмувався. Причина в кривошипношатунному механізмі (КШМ). Останній виступає як стримуючий фактор удосконалення двигунів. В двигунах внутрішнього згоряння уже відмовилися від розподільчих валів. Їх замінили п'єзоелектронним управлінням клапанами і форсунками. Час прийшов відмовитися і від КШМ. Замість нього пропонується безшатунний механізм /1/, який дасть новий поштовх в розвитку двигунобудування. Такий механізм дозволить відключати від роботи ті, чи інші циліндри (поршні в них не будуть переміщуватися) в залежності від режиму роботи двигуна: при розгоні і під час руху з навантаженням працюватимуть всі циліндри; при наборі швидкості можна зменшити частоту робочих ходів /2/, або зменшити кількість робочих циліндрів двигуна; під час роботи на холостому ходу також можна зменшити кількість робочих циліндрів. Це забезпечить високу економію пального . Крім того, використання безшатунного механізму /1/ дозволить створити двигун зовнішнього згоряння - паровий двигун (ПД) нового покоління.

Відомий ПД/3/, який має "гарячий" і "холодний" циліндри. Порція води в ньому перетворюється в пару всередині "гарячого" циліндра, контактуючи з гарячою головкою поршня. Відбувається робочий хід. В нижній мертвій точці поршнів (вони рухаються синхронно) відкривається канал який з'єднує обидва циліндри. Водяна пара перетікає із "гарячого" в "холодний" циліндр де і конденсує. Виникає розрідження в циліндрах і виконується робота при переміщені поршнів вверх.

Нагрівання головки поршня забезпечується гарячими газами спалюваного в котлі пального. Для цього використано механізм М. Бельдія /4/.

Однак зазначений механізм не дозволяє надійно закріпити шток нерухомого поршня. Крім того в цьому ПД не забезпечено захист масла картера від накопичення води, яка попадає туди через газовий стик поршня і циліндра.

На рис.1 показана схема ПД з нагріванням головки поршня в "гарячому" циліндрі гарячими газами. Головка 3 рухомого поршня 4 в "гарячому" циліндрі 5 нагрівається гарячими газами , для цього рухомий поршень 4 має рухомий циліндр 20 в якому знаходиться нерухомий поршень 6 порожнистий шток 7 з теплоізоляційним кожухом 9 якого проходить крізь вал 8 і упирається в фланець 14. Вал 8 має кільцеву канавку 19 площина якої нахилена під кутом 45° до осі валу 8 і обертається на 360°, і за допомогою кульки 1 переміщує рухомий поршень 4 і навпаки. Від прокручування рухомий поршень 4 стопориться кулькою 2, що рухається по спрямівній 12. Шестернями 15 і 17 зусилля від валу 8 передається на ведучий вал 16. Порожнина рухомого циліндра 20 з’єднана з сорочкою 11 обігріву "гарячого" циліндра 5 за допомогою каналу 21 в штоку 7 нерухомого поршня 6 і труби 13.

Робота механізму відбувається наступним чином. Під час обертання валу 8 кулька 1 рухається по канавці 19 і переміщує рухомий поршень 4 в циліндрі 5. В зворотному напрямку рухомий поршень 4 передає зусилля на кульку 1 яка рухаючись по канавці 19 прокручує вал 8 і ведучий вал 16 шестернями 15 і 17.

Переміщення рухомого поршня 4 до верхньої мертвої точки (вліво) супроводжується виникненням розрідження в рухомому циліндрі 20. При цьому гарячі гази із сорочки 11 обігріву гарячого циліндра 5 потрапляють через трубу 13 і канал 21 в штоку 7 нерухомого поршня 6 в порожнину рухомого циліндра 20 нагріваючи головку 3 рухомого поршня 4. На зворотному шляху рухомого поршня 4 гази виштовхуються в сорочку 11.

Але як же захистити масло в картері ПД від водяного пару? Це питання постійно турбувало мене. Опоненти забивали гол в мої ворота. Власне, із-за цієї проблеми всі варіанти ПД з впорскуванням води в циліндр після загорання бензинової суміші, що пропонував ще Н.Отто не знайшли широкого застосування. Схожа доля чекала і на мої винаходи.

Якось зателефонував патентному повіреному по Хмельницькій області Ярославу Ващуку і поскаржився, що не можу розв’язати цю проблему. Він заспокоїв мене: "Можна патентувати винаходи, а цю задачу розв’яжеш в вигляді ноу хау".

Так і сталося. Працюючи по господарству - заготовлюючи дрова прийшла ідея - створити протитиск в газовому стику поршня і циліндра.

Схема захисту масла в картері ПД від водяного пару показано на рис. 1. Для цього рухомий 4 і нерухомий 6 поршні мають кільцеві канавки (a) і (d) відповідно, по колу поршнів між компресійними кільцями . Площини канавок перпендикулярні до осі поршнів 4 та 6 і зв’язані за допомогою радіального каналу (t) в рухомому поршні 4, каналу (b) в рухомому циліндрі 20 і каналів (c) і (e) в нерухомому поршні 6 і трубки 10(закріплена в нерухомому поршні 6 і в фланці 14) з напірною магістраллю компресора. Причому вісь каналу (c) на поверхні нерухомого поршня 6 паралельна осі нерухомого поршня 6. Довжина каналу (c) рівна величині ходу рухомого поршня 4 плюс величина діаметру каналу (b) в рухомому циліндрі 20. Канал (b) контактує з канавкою (c) на поверхні нерухомого поршня 6.

Робота пристрою відбувається наступним чином. Стиснуте повітря від компресора подається через трубку 10, канал (e) в нерухомому поршні 6 в кільцеву канавку (d) в нерухомому поршні 6. Далі стиснуте повітря потрапляє в кільцеву канавку (a) рухомого поршня 4 через канал (c) на поверхні нерухомого поршня 6 і канал (b) в рухомому циліндрі 20. В кільцевих канавках (a) і (d) створюється надлишковий тиск, який не допустить прориву водяного пару і гарячих газів в картер 18 ПД.

На рис.2,а показано положення ущільнюючих кілець 22 під час руху рухомого поршня 4 вправо. На рис.2,с – при русі рухомого поршня 4 вліво. На рис 2, в – під час проходження рухомим поршнем 4 мертвих точок. Найбільш сприятливим моментом для прориву газового стику водяним паром в картер ПД є момент проходження рухомим поршнем 4 мертвих точок. В цей момент розкривається газовий стик.

Тиск повітря в газовому стику повинен бути не менший тиску водяного пару.

Протитиск повітря в газовому стику захистить і від проникнення масла з картера ПД в основний циліндр 5, тобто в воду.

Масло в картері ПД нагріватиметься і при попаданні туди повітря самозайматиметься. Тому бажано замість повітря використовувати вуглекислий газ.

Схожа схема захисту від прориву водяного пару в картер і для ПД з тепловим насосом і для двигуна Стерлінга, що не допустить втрат робочого тіла. Крім того використання описаного пристрою дозволить застосувати в якості робочого тіла двигуна Стерлінга та теплового насосу газ гелій. Це значно покращить характеристики двигуна.

Зазначена конструкція забезпечує високу компактність ПД і найбільш повне використання енергії водяного пару, а також не допустить прориву водяного пару в картер.

Література:
1. Федосєєв В.Г. Двоступінчастий безклапанний компресор на основі планетарнопоршневого механізму. //Журнал «Винахідник і раціоналізатор» 2010.-№5-с.14-15.
2. Андрей Ильчук. История одного украинского изобретения.// Журнал «Винахідник і раціоналізатор»2009.- №4-с.24-29.
3. Федосєєв В.Г. Знову настав час … для парового двигуна.// Журнал «Винахідник і раціоналізатор» 2010 .-№5-с.20-23.
4. «Обратимый преобразователь направления движения и машина объемного вытеснения на его основе». Международная заявка на изобретение WO 96/31684 от 10 октября 1996 года. UA.