Двигатель Кашуба—Кораблева: Принцип работы и преимущества бесшатунной конструкции

Введение в бесшатунные двигатели. Конструкторская мысль в области двигателестроения не стоит на месте, порождая инновационные решения, такие как бесшатунные двигатели. Одну из таких перспективных разработок предложили изобретатели из севастопольского объединения «Югрыбхолодфлот» — Н. К. Кашуба и И. А. Кораблев. Их творение, известное как двигатель Кашуба—Кораблева, кардинально меняет классическую парадигму работы поршневой машины. Данная конструкция сулит существенные преимущества в механическом КПД, компактности и долговечности, что особенно актуально для судовой энергетики.

Принципиальная схема и конструктивные особенности. Принципиальное отличие их двигателя заключается в инверсии подвижных элементов. В данной схеме, изображенной на рис. 9, неподвижные поршни жестко закреплены на раме, обозначенной номером *1*. Вместо них перемещается весь блок цилиндров, отмеченный цифрой *2*. Возвратно-поступательное движение блока преобразуется во вращательное с помощью уникального шестеренчатого механизма *3*, использующего полушестерни, которые входят в зацепление с зубчатыми рейками. Для синхронизации и обеспечения пуска конструкции служит единственный шатун *4*, вал отбора мощности обозначен позицией *5*.

Рис. 9. Схема двигателя изобретателей Н. К. Кашуба и Н. А. Кораблева: 1 — неподвижная рама; 2 — подвижный блок цилиндров; 3 — механизм преобразования движения; 4 — синхронизирующий шатун; 5 — вал отбора мощности

Ключевые преимущества и теоретические обоснования. Поскольку потери в хорошо отработанных зубчатых передачах минимальны, механический КПД такого силового агрегата теоретически должен превосходить показатели традиционных многошатунных конструкций. Работоспособность концепции была успешно подтверждена на модели, работавшей на сжатом воздухе. Вдохновленные результатами, изобретатели сконструировали на основе этой схемы тихоходный судовой дизель, который оказался значительно компактнее обычных аналогов. Многочисленные расчеты, выполненные с привлечением студентов кафедры ДВС Кораблестроительного института, подтвердили обоснованность надежд авторов на преимущества их разработки.

Ожидаемые эксплуатационные характеристики. По оценкам, даже в четырехцилиндровом варианте двигатель должен демонстрировать повышенную литровую мощность и эффективную мощность, сопровождающиеся снижением удельного расхода топлива. При увеличении количества цилиндров данный выигрыш становится еще более значительным. В среднем, улучшение ключевых параметров, по осторожным прогнозам, составляет около 10%, что крайне важно для судов, совершающих дальние рейсы. Дополнительным преимуществом для корабелов является существенное увеличение моторесурса силовой установки.

Снижение износа и конструктивная надежность. Увеличение срока службы напрямую связано с разгрузкой поршней необычной конструкции от боковых усилий, которые в стандартных двигателях являются основной причиной износа цилиндро-поршневой группы. В двигателе Кашуба—Кораблева эти деструктивные усилия создаются лишь единственным синхронизирующим шатуном. Важно, что эти силы невелики по величине и воспринимаются не подвижным блоком, а неподвижной рамой, на которой жестко закреплены поршни, что кардинально меняет картину распределения нагрузок.

Система подачи топлива и охлаждения. Подача воздуха и топлива в двигателе организована непосредственно через неподвижные поршни. Газораспределение осуществляется с помощью системы окон и перепускных каналов, что характерно для двухтактных двигателей с наддувом, широко распространенных в судостроении. Охлаждение подвижного блока цилиндров водой может быть эффективно реализовано через два дополнительных поршня, выполняющих эту функцию, причем движение самого блока не нарушает работу системы охлаждения.

Снижение инерционных нагрузок и материалы. Для минимизации инерционных нагрузок, возникающих при движении массивного блока цилиндров, его предлагается изготавливать из современных легких сплавов. В результате его общая масса получается ненамного больше, чем совокупная масса движущихся частей в традиционных кривошипно-шатунных механизмах. Проведенные расчеты и испытания масштабной модели показали, что потенциальные осложнения, связанные с инерционностью, разработке не угрожают.

Инновационный механизм преобразования движения. Особого внимания заслуживает оригинальный механизм преобразования движения. Проблема ударных нагрузок на зубья полушестерен в момент их входа в зацепление с рейкой была блестяще решена изобретателями. Они применили конструкцию с автоматически выдвигающимися зубьями шестерен, что обеспечивает плавное и безударное зацепление. Синхронизация вращения валов этого механизма обеспечивается специальной шестеренчатой парой, которая не отображена на приведенной схеме рис. 9.

Заключение и перспективы разработки. В целом, двигатель Кашуба—Кораблева представляет собой яркий и интересный пример поиска нетривиальных путей усовершенствования классической схемы поршневого двигателя внутреннего сгорания. Проект получил положительные отзывы от профильных организаций, не вызвав сомнений в своей перспективности. Сочетание повышенной экономичности, компактности, высокого ресурса и надежности открывает перед этой разработкой широкие возможности для применения, в первую очередь, в области судовых энергетических установок.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.