RU2033543C1

RU2033543C1 - Plunger engine

Info

Publication number: RU2033543C1
Authority: RU
Inventors: Л.Г. Ковалев; П.Л. Ковалев
Original assignee: Ковалев Леонид Григорьевич
Priority date: 1990-10-10
Filing date: 1990-10-10
Publication date: 1995-04-20

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: engine has fixed unit 1 having cylinders 2 arranged over periphery, power shaft 4 set in radial bearings 5 and having inclined washers 9 with ring grooves on the faces. Rocking rings 11 received in the ring grooves and fixed against rotation with respect to unit 4 has ball supports and spherical locks of the bottom heads of the connecting rods coupled with pistons 3. One end of rocking jaws 12 is pivotally mounted inside the engine housing through pin 13 having a ball head. Two other ends of each jaw is pivotally connected with rocking pin 11 through a pair of cantilevers. Axes of pins 13 having ball head are perpendicular to axis of power shaft 4. Axes of cylindrical pins are positioned in the plane of inclined washer 9. The plane passes through the point of intersection of axes of inclined washer 9 and power shaft 4. Inclined washers 9 is provided with additional ball radial thrust bearings interposed between the inner surfaces of the rocking rings and surfaces of the ring grooves of the inclined washers. EFFECT: enhanced efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and in particular to internal combustion engines.

Известны поршневые двигатели преимущественно внутреннего сгорания, содержащие неподвижный блок с расположенными по окружности цилиндрами, в центре которого размещен силовой вал, установленный в радиальных подшипниках и несущий по торцам блока наклонные шайбы с качающимися кольцами, зафиксированными от поворота относительно блока и снабженными подшипниками, шаровыми опорами и сферическими замками головок шатунов, связанных с поршнями [1]
Недостатком этих поршневых двигателей является их низкая эксплуатационная надежность вследствие недостаточной жесткости качающегося кольца за счет соединения его с наклонной шайбой подшипниками, установленными только на наружной цилиндрической поверхности качающегося кольца.Known piston engines of predominantly internal combustion, containing a stationary block with cylinders located around the circumference, in the center of which there is a power shaft mounted in radial bearings and bearing inclined washers at the ends of the block with oscillating rings fixed from rotation relative to the block and equipped with bearings, ball bearings and spherical locks of connecting rod heads associated with pistons [1]
The disadvantage of these piston engines is their low operational reliability due to insufficient rigidity of the oscillating ring due to its connection with an inclined washer with bearings mounted only on the outer cylindrical surface of the oscillating ring.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является поршневой двигатель, включающий неподвижный блок с расположенными по окружности цилиндрами, в центре которого размещен силовой вал, установленный в радиальных подшипниках и несущий по торцам наклонные шайбы с качающимися кольцами, зафиксированными от поворота относительно блока и снабженными подшипниками, шаровыми опорами и сферическими замками головок шатунов [2]
Недостатком этого поршневого двигателя является его низкая эксплуатационная надежность вследствие кинематического несоответствия движения качающегося кольца и недостаточной его жесткости в направлении действия сил от шатунов.The closest to the invention in terms of technical essence and the effect achieved is a piston engine, comprising a fixed block with cylinders located around the circumference, in the center of which is a power shaft mounted in radial bearings and bearing inclined washers at the ends with swinging rings fixed from rotation relative to the block and equipped with bearings, ball bearings and spherical locks of the connecting rod heads [2]
The disadvantage of this piston engine is its low operational reliability due to the kinematic mismatch of the movement of the oscillating ring and its insufficient rigidity in the direction of the forces from the connecting rods.

Кинематическое несоответствие движения качающегося кольца относительно кольца с осевыми канавками, соединенного посредством втулки, снабженной торцовыми кулачками, с блоком двигателя, обусловлено тем, что плоскость, проходящая через центры шариков, фиксирующих качающееся кольцо от поворота относительно блока, не проходит через точку пересечения осей качающегося кольца и силового вала, а смещена относительно нее влево. При таком смещении плоскости центров шариков относительно точки пересечения осей качающегося кольца и силового вала расстояние между центрами диаметральных шариков и осью силового вала разное, т.е. центры шариков имеют эксцентриситет относительно оси вращения силового вала. При вращении силового вала шарики, фиксирующие качающееся кольцо, двигаются эксцентрично относительно оси силового вала. Этому движению препятствует кольцо с осевыми канавками, соединенное посредством втулки с блоком двигателя, что ведет к поломке кольца с осевыми канавками или втулки с торцовыми кулачками. Недостаточная жесткость качающегося кольца в направлении действия сил от шатунов обусловлена тем, что соединение качающегося кольца с наклонной шайбой осуществляется подшипниками, установленными только на наружной цилиндрической поверхности качающегося кольца. The kinematic discrepancy between the movement of the swinging ring relative to the ring with axial grooves connected by means of a sleeve provided with end cams to the engine block is due to the fact that the plane passing through the centers of the balls fixing the swinging ring from rotation relative to the block does not pass through the intersection point of the axes of the swinging ring and the power shaft, and shifted relative to it to the left. With such a shift of the plane of the centers of the balls relative to the point of intersection of the axes of the oscillating ring and the power shaft, the distance between the centers of the diametrical balls and the axis of the power shaft is different, i.e. the centers of the balls have an eccentricity relative to the axis of rotation of the power shaft. When the power shaft rotates, the balls securing the oscillating ring move eccentrically relative to the axis of the power shaft. This movement is prevented by a ring with axial grooves connected by a sleeve to the engine block, which leads to breakage of the ring with axial grooves or sleeve with end cams. The insufficient rigidity of the swinging ring in the direction of the forces from the connecting rods is due to the fact that the connection of the swinging ring with an inclined washer is carried out by bearings mounted only on the outer cylindrical surface of the swinging ring.

Цель изобретения повышение эксплуатационной надежности поршневого двигателя. The purpose of the invention to increase the operational reliability of the piston engine.

Цель достигается тем, что поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий неподвижный блок с расположенными по окружности цилиндрами, в центре которого размещен силовой вал, установленный в радиальных подшипниках и несущий по торцам блока наклонные шайбы с кольцевыми проточками, качающиеся кольца, установленные в кольцевых проточках и зафиксированные от проворота относительно блока, причем качающиеся кольца выполнены с шаровыми опорами и сферическими замками для головок шатунов, связанных с поршнями, снабжен качающимися вилками, один конец которых посредством пальца с шаровой головкой шарнирно установлен в корпусе двигателя, а два других конца каждой вилки посредством цилиндрических пальцев шарнирно связаны через пару кронштейнов с качающимся кольцом, причем кронштейны жестко связаны с качающимся кольцом, оси пальцев с шаровой головкой расположены перпендикулярно оси силового вала, оси цилиндрических пальцев расположены в плоскости наклонной шайбы, проходящей через точку пересечения осей наклонной шайбы и силового вала, а наклонная шайба снабжена дополнительными шариковыми радиально-упорными подшипниками, установленными между внутренними поверхностями качающихся колец и поверхностями кольцевых проточек наклонных шайб. The goal is achieved in that a reciprocating internal combustion engine comprising a stationary block with cylinders located around the circumference, in the center of which is a power shaft mounted in radial bearings and bearing inclined washers with ring grooves on the ends of the block, swinging rings installed in the ring grooves and fixed from rotation relative to the block, and the swinging rings are made with ball bearings and spherical locks for the heads of the connecting rods connected with the pistons, equipped with swinging forks , one end of which is pivotally mounted in the motor housing by means of a finger with a ball head, and the other two ends of each fork are pivotally connected through a pair of brackets with a swinging ring, the brackets being rigidly connected to the swinging ring, the axis of the fingers with the ball head are perpendicular to the axis of the power the shaft, the axis of the cylindrical fingers are located in the plane of the inclined washer passing through the point of intersection of the axes of the inclined washer and the power shaft, and the inclined washer is equipped with radial angular contact ball bearings installed between the inner surfaces of the swinging rings and the surfaces of the annular grooves of the inclined washers.

Качающиеся вилки, соединенные с качающимися кольцами и корпусом двигателя, удерживают качающиеся кольца от проворачивания. Соединение качающейся вилки с корпусом посредством шарового пальца обеспечивает компенсацию неточностей изготовления и сборки двигателя и осевого смещения качающегося кольца относительно корпуса двигателя. The swinging forks connected to the swinging rings and the engine housing keep the swinging rings from turning. The connection of the swinging fork with the housing by means of a ball finger provides compensation for inaccuracies in the manufacture and assembly of the engine and the axial displacement of the swinging ring relative to the motor housing.

Соединение качающихся колец с наклонными шайбами дополнительными подшипниками, установленными наружными обоймами внутри качающихся колец, обеспечивает увеличение их жесткости и повышение эксплуатационной надежности двигателя. The connection of the swinging rings with the inclined washers with additional bearings installed by the outer cages inside the swinging rings provides an increase in their rigidity and an increase in the operational reliability of the engine.

Кинематическое соответствие движения качающегося кольца, работоспособность и эксплуатационная надежность двигателя могут быть обеспечены только при условии, если оси пальцев качающейся вилки проходят через точку пересечения осей силового вала и качающегося кольца. The kinematic correspondence of the motion of the swinging ring, the operability and operational reliability of the engine can be ensured only if the axis of the fingers of the swinging fork pass through the point of intersection of the axes of the power shaft and the swinging ring.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемый поршневой двигатель отличается тем, что снабжен качающимися вилками, один конец которых посредством пальца с шаровой головкой шарнирно установлен в корпусе двигателя, а два других конца каждой вилки посредством цилиндрических пальцев шарнирно связаны через пару кронштейнов с качающимся кольцом, причем кронштейны жестко связаны с качающимся кольцом, оси пальцев с шаровой головкой расположены перпендикулярно оси силового вала, оси цилиндрических пальцев расположены в плоскости наклонной шайбы, проходящей через точку пересечения осей наклонной шайбы и силового вала, а наклонная шайба снабжена дополнительными шариковыми радиально-упорными подшипниками, установленными между внутренними поверхностями качающихся колец и поверхностями кольцевых проточек наклонных шайб. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the inventive piston engine is characterized in that it is provided with oscillating forks, one end of which is pivotally mounted in the motor housing by means of a finger with a ball head, and the other two ends of each fork are articulated through cylindrical fingers through a pair of brackets with a swinging ring, and the brackets are rigidly connected with the swinging ring, the axis of the fingers with a ball head are perpendicular to the axis of the power shaft, the axis of the cylindrical finger located in the plane of the swash plate, passing through the point of intersection of the axes of the swash plate and the force shaft and the swash plate is provided with additional angular contact ball bearings mounted between the internal surfaces of the swinging ring and the surfaces of annular grooves inclined washers. Thus, the claimed technical solution meets the criterion of "novelty."

Анализ известных технических решений в области двигателестроения позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом поршневом двигателе, а именно снабжение двигателя качающимися вилками, один конец которых посредством пальца с шаровой головкой шарнирно установлен в корпусе двигателя, а два других конца каждой вилки посредством цилиндрических пальцев шарнирно связаны через пару кронштейнов с качающимся кольцом, причем кронштейны жестко связаны с качающимся кольцом, оси пальцев с шаровой головкой расположены перпендикулярно оси силового вала, оси цилиндрических пальцев расположены в плоскости наклонной шайбы, проходящей через точку пересечения осей наклонной шайбы и силового вала, а наклонная шайба снабжена дополнительными шариковыми радиально-упорными подшипниками, установленными между внутренними поверхностями качающихся колец и поверхностями кольцевых проточек наклонных шайб. Эта задача известными устройствами не решалась, поэтому заявляемое решение соответствует критерию "существенные отличия". An analysis of the known technical solutions in the field of engine manufacturing allows us to conclude that there are no signs in them that are similar to the distinctive features in the inventive piston engine, namely the supply of the engine with swinging forks, one end of which is pivotally mounted in the engine body by means of a finger with a ball head, and two other ends each fork through cylindrical fingers pivotally connected through a pair of brackets with a swinging ring, and the brackets are rigidly connected with a swinging ring, the axis of the fingers with the flat head is located perpendicular to the axis of the power shaft, the axis of the cylindrical fingers are located in the plane of the inclined washer passing through the intersection point of the axes of the inclined washer and the power shaft, and the inclined washer is equipped with additional ball angular contact bearings installed between the inner surfaces of the swinging rings and the surfaces of the annular grooves of the inclined washers. This problem with the known devices was not solved, therefore, the claimed solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 показан поршневой двигатель, продольный разрез; на фиг. 2- разрез А-А на фиг.1 (качающееся кольцо с наклонной шайбой повернуты до совпадения с плоскостью разреза); на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.2. In FIG. 1 shows a piston engine, a longitudinal section; in FIG. 2- section AA in FIG. 1 (the oscillating ring with an inclined washer is rotated to coincide with the plane of the section); figure 3 section BB in figure 2.

Двигатель внутреннего сгорания содержит блок 1 цилиндров 2, в каждом из которых движутся в противоположных направлениях два поршня 3. От четырех до двенадцати цилиндров 2 размещены в блоке 1 по окружности и расположены вокруг силового вала 4, установленного в двух радиальных подшипниках 5 в блоке 1 и в двух подшипниках 6, установленных в корпусах 7, соединенных с блоком 1. На конических участках концов силового вала 4 на шпонке 8 установлены две наклонные шайбы 9, которые крепятся с помощью гайки 10. В наклонных шайбах 9 установлены качающиеся кольца 11, зафиксированные от поворота относительно оси блока 1 качающимися вилками 12, соединенными с корпусом двигателя посредством шаровых пальцев 13. Качающиеся кольца 11 снабжены двумя кронштейнами 14 с цилиндрическими пальцами 15, шарнирно соединенными с качающимися вилками 12. Качающиеся кольца 11 соединены с наклонными шайбами 9 шариковыми радиально-упорными подшипниками 16, установленными на наружной цилиндрической поверхности качающихся колец, и дополнительными шариковыми радиально-упорными подшипниками 17, установленными наружными обоймами на внутренней цилиндрической поверхности качающихся колец 11. Оси шаровых пальцев 13 расположены перпендикулярно оси силового вала 4 и пересекаются с ней в точке а пересечения осей силового вала 4 и качающихся колец 11. Соединение качающихся вилок 12 с блоком 1 посредством шаровых пальцев 13 обеспечивает возможность компенсации неперпендикулярности осей этих пальцев к оси силового вала вследствие допусков на изготовление деталей двигателя, их тепловой деформации и неточности сборки двигателя. Оси цилиндрических пальцев 15 расположены в плоскости качающегося кольца 11 и наклонной шайбы 9, проходящей через точку а пересечения осей качающегося кольца (наклонной шайбы) и оси силового вала 4. Такое расположение осей цилиндрических пальцев 15 обеспечивает кинематическое соответствие движения качающихся вилок 12 и качающихся колец 11 за счет исключения эксцентричного движения пальцев 15 и соединенных с ними вилок 12 относительно оси силового вала 4. The internal combustion engine contains a block 1 of cylinders 2, in each of which two pistons 3 move in opposite directions. From four to twelve cylinders 2 are arranged in a block 1 around the circumference and are located around a power shaft 4 installed in two radial bearings 5 in block 1 and in two bearings 6 installed in the housings 7 connected to the block 1. On the conical sections of the ends of the power shaft 4, two inclined washers 9 are mounted on the key 8, which are fastened with a nut 10. In the inclined washers 9, swinging rings are installed 11, fixed from rotation relative to the axis of the block 1 by the swinging forks 12, connected to the engine housing by means of ball fingers 13. The swinging rings 11 are provided with two brackets 14 with cylindrical fingers 15, pivotally connected to the swinging forks 12. The swinging rings 11 are connected to the inclined ball washers 9 angular contact bearings 16 mounted on the outer cylindrical surface of the oscillating rings, and additional ball angular contact bearings 17 mounted on the outer race mi on the inner cylindrical surface of the swinging rings 11. The axes of the ball fingers 13 are perpendicular to the axis of the power shaft 4 and intersect with it at the point of intersection of the axes of the power shaft 4 and the swinging rings 11. The connection of the swinging forks 12 to the block 1 by means of the ball fingers 13 allows compensation the non-perpendicularity of the axes of these fingers to the axis of the power shaft due to tolerances for the manufacture of engine parts, their thermal deformation and inaccurate engine assembly. The axes of the cylindrical fingers 15 are located in the plane of the swing ring 11 and the inclined washer 9 passing through the point a of the intersection of the axes of the swing ring (inclined washer) and the axis of the power shaft 4. This arrangement of the axes of the cylindrical fingers 15 provides a kinematic correspondence between the motion of the swing forks 12 and swing rings 11 due to the exclusion of the eccentric movement of the fingers 15 and the forks 12 connected to them relative to the axis of the power shaft 4.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

При пуске двигателя (фиг.1) принудительно прокручивается силовой вал 4 электрическим стартером или пусковым двигателем (не показаны). Вместе с силовым валом вращаются две наклонные шайбы 9, которые через подшипники 16 и 17 передают движение качающимся кольцам 11, шатунам 18 и поршням 3. Поршни 3 при вращении силового вала 4 перемещаются в цилиндрах 2 возвратно-поступательно. При помощи поршней 3 в нижней мертвой точке (не показано) происходит наполнение цилиндров воздухом. На ходе поршней встречно друг другу в верхней мертвой точке (не показано) происходит сжатие воздуха в цилиндрах 2 двигателя. При положении поршней 3, близком к верхней мертвой точке дизельного двигателя, производится подача топлива топливным насосом высокого давления через форсунку (не показано) в цилиндр двигателя. Топливо перемещается с воздухом, самовоспламеняется и сгорает. Давление в цилиндре нарастает и перемещает поршень 3 к нижней мертвой точке на рабочем ходе. Усилие от поршня 3 передается через шатун 18,качающееся кольцо 11 наклонной шайбе 9 и от нее крутящий момент передается силовому валу 4 двигателя. После пуска двигателя силовой вал 4 продолжает вращаться и с него можно производить отбор полезной мощности. When starting the engine (Fig. 1), the power shaft 4 is forcibly scrolled by an electric starter or a starting motor (not shown). Together with the power shaft, two inclined washers 9 rotate, which through the bearings 16 and 17 transmit the motion to the swinging rings 11, the connecting rods 18 and the pistons 3. The pistons 3 during the rotation of the power shaft 4 move in the cylinders 2 back and forth. Using pistons 3 at the bottom dead center (not shown), the cylinders are filled with air. During the pistons opposite each other at top dead center (not shown), air is compressed in the cylinders 2 of the engine. When the position of the pistons 3 is close to the top dead center of the diesel engine, fuel is supplied by the high pressure fuel pump through an injector (not shown) to the engine cylinder. Fuel moves with air, spontaneously ignites and burns. The pressure in the cylinder rises and moves the piston 3 to the bottom dead center on the working stroke. The force from the piston 3 is transmitted through the connecting rod 18, the oscillating ring 11 of the inclined washer 9, and from it the torque is transmitted to the power shaft 4 of the engine. After starting the engine, the power shaft 4 continues to rotate and it is possible to select useful power from it.

По сравнению с базовым двенадцатицилиндровым дизельным двигателем обычной конструкции (ЯМЗ-240) технические преимущества заявляемого поршневого двигателя заключаются в следующем. Расположение цилиндров в блоке по окружности уменьшает габаритные размеры двигателя и улучшает его компановку на машине. Противоположно движущиеся поршни позволяют уменьшить их ход, среднюю скорость, повысить частоту вращения силового вала и мощность двигателя. Уменьшаются величины относительного перемещения и скорости движения поверхностей трения шаровых опор шатунов и их износа. Уменьшение поперечной составляющей силы давления газов на поршень уменьшает износ сопряжения цилиндр поршень. Compared with the basic twelve-cylinder diesel engine of conventional design (YaMZ-240), the technical advantages of the inventive piston engine are as follows. The arrangement of the cylinders in the block around the circumference reduces the overall dimensions of the engine and improves its layout on the machine. Opposite moving pistons can reduce their stroke, average speed, increase the frequency of rotation of the power shaft and engine power. The relative displacement and velocity of the friction surfaces of the ball joints of the connecting rods and their wear are reduced. Reducing the transverse component of the gas pressure force on the piston reduces the wear of the mating cylinder of the piston.

Общественно полезные преимущества заявляемого поршневого двигателя заключаются в повышении его надежности, уменьшении металлоемкости, стоимости изготовления и удельного расхода топлива вследствие повышения механического и эффективного КПД двигателя. The socially useful advantages of the inventive piston engine are to increase its reliability, reduce metal consumption, manufacturing cost and specific fuel consumption due to increased mechanical and effective engine efficiency.

Ожидаемый экономический эффект от использования заявляемого изобретения на один двигатель
Э [(C_б + Ц_б) (С_н + Ц_н)] где С_б, С_н годовые затраты на топливо базового и нового двигателей, руб.The expected economic effect of the use of the claimed invention on one engine
E [(C _b + C _b ) (C _n + C _n) ] where C _b , C _{n are the} annual fuel costs of the base and new engines, rub.

С_б g_еб ^.N_н ^. χ_э ^.Т_г ^.Ц_д.т/1000;
С_н g_ен N_н ^. χ_э ^. Т_г ^. Ц_д.т./1000, где g_еб, g_ен удельный расход топлива базового и нового двигателей, соответственно 238 и 227 г/кВт ^. ч;
N_н номинальная мощность двигателя, 221 кВт;
χ_э коэффициент эксплуатационной нагрузки двигателя, 0,7;
Т_г годовая продолжительность работы двигателя, 1700 ч;
Ц_д.т. цена дизельного топлива;
Ц_б стоимость базового двигателя;
Ц_н стоимость нового двигателя.C _b g _eb ^. N _^n. χ _e ^. T _^r. C _d.t / 1000;
C _H N _n g _^ene. χ _e ^. T _^r. Ц _д.т./ 1000, where g _еб , g _нн specific fuel consumption of the base and new engines, respectively 238 and 227 g / kW ^. h;
N _n rated engine power, 221 kW;
χ _{e the} coefficient of engine operating load, 0.7;
T _g annual engine operating time, 1700 h;
C _dt diesel price;
C _{b the} cost of the base engine;
Ts _{n the} cost of a new engine.

Ориентировочная потребность народного хозяйства в двигателях с использованием изобретения составляет 10 тыс. шт. The estimated need of the national economy for engines using the invention is 10 thousand.

Claims

A PISTON ENGINE of predominantly internal combustion engine, comprising a fixed block with cylinders arranged circumferentially, in the center of which is a power shaft mounted in radial bearings and bearing inclined washers with ring grooves at the ends of the block, swinging rings installed in the ring grooves and fixed against rotation of the block moreover, the swinging rings are made with ball bearings and spherical locks for the connecting rod head associated with the pistons, characterized in that the engine is equipped with It is provided with swinging forks, one end of which is pivotally mounted in the motor housing by means of a finger with a ball head, and the other two ends of each fork are pivotally connected through a pair of brackets with a swinging ring, the brackets being rigidly connected to the swinging ring, the axis of the fingers with the ball head perpendicular to the axis of the power shaft, the axis of the cylindrical fingers are located in the plane of the inclined washer passing through the point of intersection of the axes of the inclined washer and the power shaft, and the inclined yba provided with additional angular contact ball bearings mounted between the internal surfaces of the swinging ring and the surfaces of annular grooves inclined washers.