Двигатель внутреннего сгорания со стержнем¶

Двигатель внутреннего сгорания со стержнем — обозначение ряда конструкций тепловых двигателей, в которых передача движения от поршня к коленчатому валу осуществляется не через кривошипно-шатунный механизм, а посредством жёсткого стержня (толкателя, штока), жёстко связанного с поршнем или рабочим телом. Такая схема позволяет устранить боковые нагрузки на стенки цилиндра и применить поршень с большим ходом относительно диаметра.

¶Историческая справка

Идея замены шатуна жёстким стержнем восходит к ранним конструкциям паровых машин. В XIX веке ряд инженеров предлагал схемы, в которых поршень жёстко соединялся с кривошипом через стержень, проходящий через торцевую стенку цилиндра. Наиболее известной реализацией стал стержневой (шатунный) двигатель конструкции Гарри Стюарта (Harry Stewart) и ряд аналогичных разработок, применявшихся в авиационных и стационарных двигателях начала XX века.

В СССР конструкции со стержнем разрабатывались в рамках исследований по повышению мощности и ресурса поршневых двигателей. Опытные образцы испытывались в НАМИ и на ряде моторостроительных заводов, однако массового распространения они не получили из-за сложности уплотнения стержня и необходимости в дополнительной направляющей втулке.

¶Принцип действия

В классическом кривошипно-шатунном механизме шатун воспринимает угловое отклонение от оси цилиндра, что создаёт боковую составляющую силы, прижимающую поршень к стенке. При схеме со стержнем:

1. Поршень жёстко закреплён на стержне, который проходит через направляющую втулку в торце цилиндра.
2. Стержень передаёт возвратно-поступательное движение непосредственно на кривошипный вал через шатун малой длины или кулачковый механизм.
3. Боковые нагрузки на поршень практически отсутствуют, что снижает износ и позволяет применять поршни с большим ходом.

¶Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Снижение боковых нагрузок на поршень и стенки цилиндра.
• Возможность увеличения хода поршня при неизменном диаметре цилиндра (длинноходные двигатели).
• Повышение КПД за счёт уменьшения потерь на трение.

Недостатки:

• Сложность герметизации места выхода стержня из цилиндра.
• Необходимость в дополнительной направляющей втулке, увеличивающей габариты и массу.
• Повышенные требования к точности изготовления и смазке.
• Ограниченная частота вращения из-за инерционных нагрузок на стержень.

¶Применение

Наиболее широкое распространение схемы со стержнем получили в:

• Дизельных двигателях для судов и стационарных установок, где важен ресурс и экономичность.
• Авиационных двигателях ранних периодов, где конструкция позволяла уменьшить массу кривошипно-шатунного механизма.
• Насосных агрегатах, где возвратно-поступательное движение передаётся непосредственно на рабочий орган.

В современном моторостроении схемы со стержнем применяются ограниченно, в основном в специализированных двигателях для энергетики и судостроения.

¶Интересные факты

• В ряде конструкций стержень выполняет роль одновременно и шатуна, и направляющей, что упрощает сборку.
• Идея двигателя со стержнем была предложена и в российских патентах начала XX века, в частности в работах по совершенствованию паровых машин.
• Некоторые современные гибридные двигатели используют элементы схемы со стержнем для повышения эффективности на низких оборотах.

¶Источники

• «Двигатели внутреннего сгорания» — учебник под редакцией В.Д. Авдеева.
• «Теория поршневых и газотурбинных двигателей» — В.В. Скороходов.
• Материалы НАМИ по конструкциям поршневых двигателей.