Пропонується схема парового двигуна на основі безшатунного механізму з нагріванням головки поршня тепловим насосом.
Suggest a steam engine scheme on basis without-connecting-rod mechanism with heating a piston head the thermal pump.
КЛЮЧОВІ СЛОВА: безшатунний механізм, тепловий насос, циліндр, поршень, водяна пара, паровий двигун.

На початку ХХІ століття винайдено новітній паровий двигун (ПД). Його батьківщиною стала незалежна Україна, зокрема Подільська земля. ПД не тільки економитиме пальне на транспортних машинах, а й дозволить використовувати найдешевші і доступні види пального. Крім того розроблений ПД буде екологічно чистішим в роботі ніж існуючі двигуни внутрішнього згоряння. По-перше, пальне в ПД буде повніше згоряти. По-друге, новітньому ПД не потрібні високооктанові сорти бензину, які містять шкідливі речовини-присадки.

Відомо, що розвиток науки і техніки відбувається по спіралі. Часто ми повертаємося до старого давно забутого. Повертаємось на новій більш високій сходинці. Так сталося і в моєму випадку – прийшлось повернутися в XVII – XIX століття – епохи розвитку парових машин.

Прямолінійний і зворотньопоступальний рух поршня в цих двигунах перетворюється в обертовий рух колеса і навпаки за допомогою кривошипношатунного механізму (КШМ). Шатун тиснув на поршень, який нахиляючись терся по стінках циліндра. Це супроводжувалося зносом деталей. Для зменшення тертя поршень в паровій машині мав спрямівну (крейцкопфу).

Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ), що витіснили парову машину із-за її вкрай низького коефіцієнта корисної дії (від 1 до 20%) запозичили в неї КШМ. Тому і в них на поршні діють бокові сили. Частота обертання колінчастого вала ДВЗ в порівнянні з паровою машиною зросла в 2-3 раза. На деталі КШМ ДВЗ збільшилися навантаження із-за нерівномірності руху, так як, наряду з іншими причинами, головна деталь цього механізму "шатається". Для усунення нерівномірності руху встановлюють зрівноважувальні механізми, які дещо зменшують вібрації двигуна. Але це призводить до росту маси останнього.

Не дивно, що думка винахідників направлена на створення надійних безшатунних двигунів. Це і роторний двигун Ванкеля. Це і безшатунний двигун Баландіна та інші.

Чому вони не знайшли широкого застосування?

Двигун Ванкеля "не пішов" тому, що не давав відчутних переваг перед існуючими. А хто собі на збитки буде переналагоджувати виробництво і сервіс які налаштовані на двигуни з КШМ?

В безшатунному двигуні Баландіна казалося б не повинні діяти бокові сили, але навпаки вони тут проявилися ще більше. Прийшлося встановити крейцкопфи, що загальмувало широке використання цього двигуна.

І ось в 1996 році подільський винахідник президент фонду "Новотех" Микола Миколайович Бельдій запатентував "зворотній перетворювач напрямку руху і машину об'ємного витіснення на його основі". Вчені пророкували велике майбутнє цьому механізму.

Проста заміна КШМ механізмом Бельдія виявилася неможливою. Потрібен був новий винахід.

Автору цих рядків поталанило співпрацювати з Миколою Миколайовичем протягом 1997 – 2000 років. Наступних десять років (2001 – 2010 роки) пройшли в продуктивному творчому пошуку. В результаті створено механізм, який дозволяє повністю відмовитися від КШМ в компресорах, теплових насосах та ДВЗ. При цьому використовується робоча пара поршень-циліндр.

Надійність останньої перевірена на існуючих двигунах і відмовлятися від неї недоречно.

ДВЗ мають ще один суттєвий недолік - пальне в них не встигає повністю спалюватися. В атмосферу викидаються шкідливі речовини, що суттєво впливає на забруднення навколишнього середовища тим більше, що автопарк на земній кулі постійно збільшується, тай економічність ДВЗ уже не задовольняє автомобілістів. Тому двигунобудівники розвинутих країн світу ведуть конкурентну боротьбу за першість в створені двигуна зовнішнього згоряння. Самий економічний такий двигун – Стірлінга, що був запатентований ще в 1816 році. Але пристосувати його до автомобіля не вдається так як він має великі габаритні розміри, малу питому потужність і в'яло набирає оберти.

Нами (третім винахідником є мій син Володимир, працює інженером енергетиком) розроблено новітній ПД саме зовнішнього згоряння. Від парової машини він відрізняється тим, що в ПД порція води перетворюється в пару в середині "гарячого" циліндра, а не в котлі парової машини (рис.1). Розширюючись водяна пара переміщує поршень 4 вниз і виконує роботу. В кінці ходу поршня 4 відкривається канал <а> який з'єднує "гарячий" циліндр 5 з "холодним" 8 де і конденсує водяна пара. Виникає розрідження в обох циліндрах. Поршні синхронно переміщуються вверх і знову виконують роботу. Таким чином енергія пару використовується максимально ефективно.

Використана вода виштовхується в ємність для її зберігання.

Для повного перетворення порції води в пару необхідно гріти не тільки "гарячий" циліндр, але й головку поршня. Крім того необхідно, щоб поршні обох циліндрів були в мертвих точках деякий відрізок часу нерухомі, так як вода кипить відносно повільно.

Все це забезпечує використання нового безшатунного механізму. На нього подана заявка на винахід № а200913701 від 28 грудня 2009 року. Заявка проходить експертизу в Українському інституті промислової власності. Виготовлена діюча модель нового механізму і провірена на практиці його робота.

В статті "Знову настав час… для парового двигуна" (журнал "Винахідник і раціоналізатор" №5 за 2010 рік) розкрито спосіб нагрівання головки поршня гарячими газами. Пропоную ще й спосіб нагрівання головки поршня "гарячого" циліндра і охолодження головки поршня "холодного" циліндра тепловим насосом (ТН).

В ТН використовується зворотній цикл Стірлінга, тобто якщо приводити в рух двигун Стірлінга за допомогою будь якого зовнішнього джерела енергії то "гарячий" циліндр буде охолоджуватися, а "холодний" – нагріватиметься. Якщо при цьому розігріти "гарячий" циліндр (наприклад, оточуючим повітрям), то холодний циліндр буде розігріватися до більш високої температури. Так працює насос в режимі нагрівання, але він може працювати і в режимі кріокулера – охолодження головки поршня. При цьому зовнішня енергія іде не безпосередньо на нагрівання, а на "перекачку" тепла з холодного місця в більш тепле, що ефективніше.

Розглянемо конструкцію ПД з ТН. Він складається (див. рис.2) з ведучого валу 10, який знаходиться в зчеплені з валом 1 за допомогою (наприклад) конічної пари 11. Вал 1 обертається на 360°. Він має кільцеві канавки 3 (зовнішня) і 2 (внутрішня). Площини цих канавок повернуті одна відносно другої на 90°. Від взаємного розміщення цих канавок і залежить режим роботи насоса – нагрівання чи охолодження поршня 4. Площини кільцевих канавок нахилені до осі валу 1 під кутом 45°. Зовнішня кільцева канавка 3 переміщує великий поршень 4, а внутрішня 2 – малий поршень 6. Останній має циліндр в якому знаходиться нерухомий поршень 8, шток якого проходить крізь порожнистий вал 1 і упирається в фланець 12. Від провороту малий поршень 6 стопориться кульками 16, які рухаються по спрямівним 13 нерухомого поршня 8. Порожнини рухомого циліндра 7 і рухомого циліндра в малому поршні 6 з'єднані між собою отвором <а>. Це забезпечує вільне переміщення робочого тіла із порожнин. Від провороту великий поршень 4 стопориться кулькою 14, що рухається по спрямівній 15. Шестерня 9 з'єднує силові вали сусідніх циліндрів.

Розглянемо роботу ПД з ТН. Під час обертання валу 10 (запуск ПД) обертається і вал 1 на 360°. При цьому переміщується великий поршень 4 (кулькою 17 та зовнішньою кільцевою канавкою 3 валу 1) і поршень 6 (кулькою 18 і внутрішньою кільцевою канавкою 2 валу 1) відносно нерухомого поршня 8 (рис.2). Так коли поршень 6 "знаходиться" в нижній мертвій точці (рис. 3, б) поршень 4 "підходить" до неї (рис. 3, в). Робоче тіло в циліндрах поршнів 4 та 6 стиснуте. Дальше іде його розширення (рис. 3,г,а). Відбувається впорскування порції води в циліндр 5 (головка поршня 4 гаряча) і перетворення води в пару (рис. 1). Далі відбувається робочий хід поршня 4.

Таким чином нами розроблено новітній паровий двигун. Він буде тихохідним і з великим крутним моментом. Крім того ПД висококомпактний, економічний і екологічно чистіший в роботі. Він матиме більший ніж у ДВЗ діапазон частот обертання валу під навантаженням. Його зовнішня характеристика наближається до ідеальної. Автомобілю з паровим двигуном потрібна коробка передач всього на дві-три передачі вперед і одну назад. Це підвищить коефіцієнт корисної дії їхньої силової передачі. Полегшиться управління такою машиною та підвищиться безпека її руху.

Розроблено і ноу хау як не допустити накопичення води в маслі картера ПД.

Гадаємо, що безшатунний ПД стане головним джерелом енергії для транспортних засобів ХХІ віку.

Парова машина свого часу відкрила дорогу для двигунів з КШМ. Хочеться вірити, що новітній паровий двигун відкриє еру безшатунних двигунів, компресорів і теплових машин.