RU2178826C1

RU2178826C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2178826C1
Application number: RU2000118194/06A
Authority: RU
Inventors: ев А.И. Бел; А.И. Беляев; Н.М. Чистов; А.П. Троицкий
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2002-01-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines. SUBSTANCE: proposed internal combustion engine has framework with at least one compartment with two cylinder liners installed opposite to each other, main shaft and camshaft interconnected by mechanical train and driving mechanism including pistons and main shaft. One piston with two heads is installed in two opposite liners of each compartment of framework. Piston pin is fitted in middle of piston. End of piston pin projecting from piston is made in form of spherical head. Cylindrical main shaft is installed in framework on bearings. Two cylindrical pins are cantilever mounted on one of shaft end face from side of cylinder liners. Axes of pins are square to longitudinal axis of main shaft. Driving mechanism is provided with rocking crank one end of which is connected with spherical head of piston pin through spherical bearing, and other end is connected with pins of main shaft by bearings. If engine framework consists of more than one compartment, main shafts of each compartment are mechanically interconnected by camshaft through gear train for transmitting torque to one of main shafts. Proposed internal combustion engine features simplified design with exclusion of expensive units and parts such as crankshaft, reduced number of pistons, dispersing with connecting rods, reduced overall dimensions and weight, reduced labor input in overhauls, decreased requirements to accuracy of manufacture of working mechanism and provision of axis-to-axis distances owing to use of spherical bearing in rocking crank, improved ecology and reduced fuel consumption. EFFECT: increased service life owing to reciprocating and rotary motion of piston and reduced piston pressure on cylinder wall, reduced cost of manufacture and operating expenses. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, отличающиеся связями между поршнем и коренным валом. The invention relates to mechanical engineering, namely to internal combustion engines, characterized by connections between the piston and the main shaft.

Известен бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий в одной секции картер, два оппозитно расположенных цилиндра (или 4 цилиндра, расположенных Х-образно), два поршня, соединительный шток между поршнями, две направляющие штока, коленчатый вал, соединительный вал (С. С. Баландин. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. М. : Машиностроение, 1972 г. ). Недостатками известного двигателя являются сложность конструкции, повышенная точность изготовления деталей, наличие в одной секции большого количества деталей: картера, двух поршней, соединительного штока, направляющих, коленвала и, как следствие, повышенная стоимость изготовления. Known rodless internal combustion engine containing in one section the crankcase, two opposed cylinders (or 4 cylinders arranged X-shaped), two pistons, a connecting rod between the pistons, two rod guides, a crankshaft, a connecting shaft (S. S. Balandin Rodless internal combustion engines. M.: Mechanical Engineering, 1972). The disadvantages of the known engine are design complexity, increased manufacturing accuracy of parts, the presence of a large number of parts in one section: a crankcase, two pistons, a connecting rod, guides, a crankshaft and, as a result, an increased manufacturing cost.

Известен двигатель внутреннего сгорания, принятый за прототип, содержащий остов, в котором расположены один или несколько отсеков, в каждом из которых установлены друг другу оппозитно две цилиндровые втулки, механизм движения, состоящий из двух поршней, поршневых пальцев и шатунов с подшипниками и коренного вала, который при выполнении двигателя из несколько отсеков является общим для них. Коренной вал выполнен в форме коленчатого вала и установлен в подшипниках скольжения. Коренной вал связан механической передачей с распределительным валом, который регулирует газораспределение. Этот двигатель внутреннего сгорания снабжен топливной системой, системой смазки, электросистемой, системой охлаждения (В. А. Ванштейдт. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей. Л. : Судостроение, 1969 г. , стр. 32, рис. 4г, стр. 251, 254-259). Недостатками известного двигателя являются сложность конструкции: наличие коленчатого вала, наличие для каждого отсека двух поршней, двух шатунов, повышенная точность изготовления деталей, повышенная стоимость изготовления, отсутствие возвратно-вращательного движения поршней для лучшего образования рабочего процесса в камерах сгорания, повышенная стоимость эксплуатации за счет ремонта большого количества деталей с повышенной точностью изготовления. A known internal combustion engine, adopted for the prototype, containing the skeleton, in which one or more compartments are located, in each of which two cylinder bushings are mounted opposite each other, a movement mechanism consisting of two pistons, piston pins and connecting rods with bearings and a main shaft, which when performing an engine from several compartments is common to them. The main shaft is made in the form of a crankshaft and mounted in plain bearings. The main shaft is connected by mechanical transmission to the camshaft, which regulates the gas distribution. This internal combustion engine is equipped with a fuel system, a lubrication system, an electrical system, a cooling system (V.A. Vansteinst. Design and strength calculations of marine diesel engines. L.: Shipbuilding, 1969, p. 32, Fig. 4d, p. 251, 254-259). The disadvantages of the known engine are the design complexity: the presence of a crankshaft, the presence of two pistons, two connecting rods for each compartment, increased manufacturing accuracy of parts, increased manufacturing costs, the absence of reciprocating rotational movement of the pistons for better formation of the working process in the combustion chambers, increased operating costs due to repair a large number of parts with increased manufacturing accuracy.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции двигателя, улучшение габаритных и весовых показателей, снижение точности изготовления деталей двигателя, повышение технического ресурса, экономичности и экологичности двигателя за счет возвратно-вращательного движения поршня, уменьшенного бокового давления его на стенку цилиндра и использования подшипников качения для установки коренного вала, вследствие чего снижается стоимость изготовления и эксплуатации двигателя. The technical result of the invention is to simplify the design of the engine, improve overall and weight indicators, reduce the accuracy of the manufacture of engine parts, increase the technical resource, economy and environmental friendliness of the engine due to the reciprocating motion of the piston, its reduced lateral pressure on the cylinder wall and the use of rolling bearings for installing the main shaft, as a result of which the cost of manufacturing and operating the engine is reduced.

Указанный технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащим остов, в котором расположено не менее одного отсека с двумя цилиндровыми втулками, установленными друг другу оппозитно, коренной и распределительные валы, связанные между собой механической передачей, механизм движения, включающий в себя поршни, коренной вал, в каждом отсеке остова установлены в двух оппозитно расположенных втулках один поршень с двумя головками, в середине которого закреплен поршневой палец, выходящий конец которого из поршня выполнен в виде сферической головки, и коренной вал, выполненный цилиндрической формы и установленный в остове на подшипниках, на одном из торцев которого со стороны цилиндровых втулок консольно расположены два цилиндрических пальца, оси которых перпендикулярны к продольной оси коренного вала, механизм движения отсека остова снабжен качающимся кривошипом, один конец которого соединен со сферической головкой поршневого пальца посредством сферического подшипника, а другой конец его соединен с пальцами коренного вала посредством подшипников. The specified technical result is achieved in that in an internal combustion engine containing a skeleton in which at least one compartment is located with two cylinder bushings mounted opposite each other, the main shaft and camshafts are connected by a mechanical transmission, a movement mechanism including pistons , the main shaft, in each compartment of the skeleton one piston with two heads is installed in two opposite bushings, in the middle of which a piston pin is fixed, the outgoing end of which the piston is made in the form of a spherical head, and the main shaft, made of a cylindrical shape and mounted in a skeleton on bearings, on one of the ends of which from the side of the cylinder bushings two cylindrical fingers are cantilevered, whose axes are perpendicular to the longitudinal axis of the main shaft, the mechanism of movement of the skeleton compartment is provided oscillating crank, one end of which is connected to the spherical head of the piston pin by means of a spherical bearing, and the other end of it is connected to the fingers of the main shaft by The bearings.

Кроме этого, при выполнении остова двигателя из отсеков более одного коренные валы каждого отсека остова механически связаны между собой распределительным валом через зубчатую передачу для передачи крутящего момента на один из коренных валов. In addition, when the engine frame from the compartments is more than one, the main shafts of each skeleton compartment are mechanically connected to each other by a camshaft through a gear transmission to transmit torque to one of the main shafts.

На фиг. 1 изображен двигатель в разрезе в горизонтальной плоскости;
на фиг. 2 - разрез по А-А фиг. 1;
на фиг. 3 - разрез по В-В фиг. 1;
на фиг. 4 - кинематическая схема работы двигателя.In FIG. 1 shows a sectional view of a motor in a horizontal plane;
in FIG. 2 is a section along AA of FIG. 1;
in FIG. 3 is a section along BB of FIG. 1;
in FIG. 4 - kinematic diagram of the engine.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1 и 2) состоит из двух половин остова 1 и 2 с срединным разъемом, уплотненным прокладкой 3. В этих половинах остова 1 и 2 размещены в горизонтальном положении два отсека 4 с двумя оппозитно расположенными цилиндровыми втулками 5. Количество отсеков может быть один и более. В каждом отсеке 4 установлены: в двух оппозитно расположенных цилиндровых втулках 5 один поршень 6 с двумя головками 7 и 8, в середине которого закреплен поршневой палец 9, выходящий конец которого из поршня выполнен в виде сферической головки 10, и коренной вал 11, выполненный цилиндрической формы. Коренной вал 11 установлен в половинах 1 и 2 остова на подшипниках качения 12 и 13 или на подшипниках скольжения (на чертеже не показано). На одном из торцев коренного вала 11 со стороны цилиндровых втулок 5 консольно расположены два цилиндрических пальца 14 (фиг. 3), ось которых О-О перпендикулярна к продольной оси коренного вала 11. Механизм движения каждого отсека остова, включающий в себя поршень 6 с поршневым пальцем 9 и коренной вал 11, снабжен качающимся кривошипом 15, один конец которого соединен со сферической головкой 10 поршневого пальца 9 посредством сферического подшипника скольжения 16 (может быть установлен и подшипник качения), а другой конец его соединен с пальцами 14 коренного вала 11 посредством подшипников 17, которыми могут быть антифрикционные втулки или подшипники качения. Коренные валы 11 каждого отсека 4 механически связаны между собой распределительным валом 18 через зубчатую передачу: шестерню 19 коренного вала 11 и зубчатое колесо 20 распределительного вала 18. При одном отсеке 4 в двигателе внутреннего сгорания механическая связь между коренным 11 и распределительным 18 валами может быть осуществлена за счет цепной или другой передачи (на чертеже не показано). На распределительном валу 18 крепятся кулачки 21, которые связаны посредством роликов 22, ползунов 23, толкателей 24 и двухплечих рычагов 25 с впускными и выпускными клапанами 26 газораспределения, которые размещены в цилиндровых крышках 27 цилиндровых втулок 5. Двухплечие рычаги 25 и клапаны 26 на крышках 27 закрыты кожухами 28. The internal combustion engine (Fig. 1 and 2) consists of two halves of the core 1 and 2 with a middle connector sealed by a gasket 3. In these halves of the core 1 and 2, two compartments 4 with two opposed cylinder sleeves are placed 5. The number of compartments may be one or more. In each compartment 4 are installed: in two opposed cylinder sleeves 5, one piston 6 with two heads 7 and 8, in the middle of which a piston pin 9 is fixed, the outgoing end of which from the piston is made in the form of a spherical head 10, and the main shaft 11, made cylindrical forms. The main shaft 11 is installed in halves 1 and 2 of the core on rolling bearings 12 and 13 or on sliding bearings (not shown in the drawing). On one of the ends of the main shaft 11 from the side of the cylinder sleeves 5, two cylindrical fingers 14 are cantilevered (Fig. 3), the axis of which O-O is perpendicular to the longitudinal axis of the main shaft 11. The movement mechanism of each compartment of the core, including a piston 6 with a piston finger 9 and the main shaft 11, is equipped with a swinging crank 15, one end of which is connected to the spherical head 10 of the piston pin 9 by means of a spherical plain bearing 16 (a rolling bearing can also be installed), and its other end is connected to the fingers 14 to ennogo shaft 11 by means of bearings 17, which may be antifriction bushings or bearings. The main shafts 11 of each compartment 4 are mechanically interconnected by the camshaft 18 through the gear: the gear 19 of the main shaft 11 and the gear wheel 20 of the camshaft 18. With one compartment 4 in the internal combustion engine, mechanical communication between the main 11 and the camshaft 18 can be carried out due to a chain or other transmission (not shown in the drawing). Cams 21 are attached to the camshaft 18, which are connected by means of rollers 22, sliders 23, pushers 24 and two-arm levers 25 with intake and exhaust valves 26 of the gas distribution, which are located in the cylinder covers 27 of the cylinder bushings 5. Two-arm levers 25 and valves 26 on the covers 27 closed by covers 28.

Предложенный двигатель внутреннего сгорания, как и любой другой его вид, снабжен топливной системой, системой смазки, электросистемой, системой охлаждения, которые на чертеже не показаны. The proposed internal combustion engine, like any other type, is equipped with a fuel system, lubrication system, electrical system, cooling system, which are not shown in the drawing.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

При сгорании топливовоздушной смеси в камерах сгорания, образованной цилиндровой крышкой 27, цилиндровой втулкой 5 и поршнем 6, образующийся продукт сгорания оказывает давление на поршень 6 (фиг. 1 и 2), перемещающегося в цилиндровых втулках 5. Усилие поршня 6 передается на сферическую головку 10 поршневого пальца 9, которая передает усилие на сферический подшипник скольжения 16 качающегося кривошипа 15. Качающийся кривошип 15 передает усилие на подшипники 17, которые оказывают давление на пальцы 14 коренного вала 11. При этом поршень 6 совершает одновременно поступательное движение к оси коренного вала 11 и вращательное движение вокруг своей продольной оси. Часть качающегося кривошипа 15 совершает вместе со сферической головкой 10 поршневого пальца 9 одновременно поступательное и вращательное движение относительно продольной оси поршня 6, а другая его часть, сопряженная с цилиндрическими пальцами 14 коренного вала 11, совершает вращательное движение вместе с коренным валом 11, т. е. качающийся кривошип 15 совершает возвратно-вращательное движение вокруг оси пальцев 14 коренного вала 11. Таким образом, качающийся кривошип 15 представляет вращающее звено и участвует в преобразовании возвратно поступательно-вращательного движения поршня во вращательное движение коренного вала 11 вокруг его неподвижной оси. Движение основных звеньев и деталей и возникновение крутящего момента М_кр представлено на кинематической схеме двигателя (фиг. 4). Схема развернута на три плоскости ОY, ОZ, ОХ для восьми положений качающегося кривошипа 15, поршня 6, коренного вала 11 и поршневого пальца 9, обозначенными точками 0-7 с указанием основных параметров:
S - ход поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ),
V - возвратно-поступательная скорость поршня,
τ- возвратно-вращательная скорость поршня,
ω- угловая скорость вращения коренного вала,
α- угол поворота коренного вала от первоначального положения (точка 0),
φ- угол поворота поршня вокруг своей продольной оси,
β- угол поворота качающегося кривошипа в горизонтальной плоскости,
γ- угол поворота качающегося кривошипа в вертикальной плоскости,
Р - сила давления газов на поршень и на сферическую головку поршневого пальца,
А - плечо от центра приложения силы Р к качающемуся кривошипу до оси вращения коренного вала,
L - длина качающегося кривошипа,
М_кр - крутящий момент на коренном вале.During the combustion of the air-fuel mixture in the combustion chambers formed by the cylinder cover 27, the cylinder sleeve 5 and the piston 6, the resulting combustion product exerts pressure on the piston 6 (Figs. 1 and 2) moving in the cylinder sleeves 5. The force of the piston 6 is transmitted to the spherical head 10 the piston pin 9, which transfers the force to the spherical plain bearing 16 of the swinging crank 15. The swinging crank 15 transfers the force to the bearings 17, which exert pressure on the fingers 14 of the main shaft 11. In this case, the piston 6 makes one Temporarily forward movement to the main shaft axis 11 and the rotational movement around its longitudinal axis. Part of the swinging crank 15 performs, together with the spherical head 10 of the piston pin 9, simultaneously translational and rotational motion relative to the longitudinal axis of the piston 6, and its other part, coupled with the cylindrical fingers 14 of the main shaft 11, rotates together with the main shaft 11, i.e. The oscillating crank 15 rotates around the axis of the fingers 14 of the main shaft 11. Thus, the oscillating crank 15 represents a rotational link and is involved in the transformation of the reciprocal rotational motion of the piston in the rotational movement of the main shaft 11 around its fixed axis. The movement of the main links and parts and the occurrence of torque M _cr presented on the kinematic diagram of the engine (Fig. 4). The scheme is deployed on three planes OY, OZ, OX for eight positions of the swinging crank 15, piston 6, main shaft 11 and piston pin 9, indicated by points 0-7 with the main parameters indicated:
S is the piston stroke from top dead center (TDC) to bottom dead center (BDC),
V is the reciprocating speed of the piston,
τ - rotational speed of the piston,
ω is the angular velocity of rotation of the main shaft,
α is the angle of rotation of the main shaft from its original position (point 0),
φ is the angle of rotation of the piston around its longitudinal axis,
β is the angle of rotation of the swinging crank in the horizontal plane,
γ is the angle of rotation of the oscillating crank in a vertical plane,
P is the pressure force of the gases on the piston and on the spherical head of the piston pin,
And - the shoulder from the center of application of force P to the oscillating crank to the axis of rotation of the main shaft,
L is the length of the oscillating crank,
M _cr - torque on the main shaft.

Движение сферической головки 10 поршневого пальца 9 вместе со сферическим подшипником 16 качающегося кривошипа 15 происходит по кривой линии, обозначенной точками 0-1-2-3-4-5-6-7-0, соответственно в трех плоскостях ОY, ОZ, ОХ. Направление силы давления газов Р близко к направлению движения сферической головки 10. Крутящий момент М_кр на коренном валу 15 образуется от силы давления Р продуктов сгорания (фиг. 4) на поршень 6 и плеча А: М_кр= Р•А. Плечо А зависит от угла β, т. е. A = +(β) и изменяется от значения 0 при нахождении поршня в верхней мертвой точки ВМТ до А_max при нахождении поршня 6 при угле поворота α коренного вала 11 на угол 90^o. Качающийся кривошип 15 совершает сложное пространственное движение, а поршень 6 совершает одновременно возвратно-поступательное и возвратно-вращательное движения и за двойной ход поршня 6, равный 2S, коренной вал 11 совершает один оборот. Аналогичный процесс происходит при сгорании топливовоздушной смеси в остальных цилиндровых втулках 5 отсеков остова 4. Передача крутящего момента при выполнении двигателя из отсеков более одного происходит через один из коренных валов 11 через распределительный вал 18 посредством шестерен 19 и зубчатых колес 20. Работа остальных систем и механизмов движения не отличается от обычных двигателей. Предлагаемый двигатель выполнен для работы по четырехтактному циклу, но может быть выполнен для работы по двухтактному циклу, при котором происходит снижение давления на сферический подшипник 16 и, следовательно, на качающийся кривошип 15, коренной вал 11 за счет уменьшения силы давления продуктов сгорания на поршень в одном цилиндре силой сжатия в противоположном цилиндре. Применение сферического подшипника в качающемся кривошипе 15 позволяет снизить точность изготовления рабочего механизма движения: коренного вала 11, качающегося кривошипа 15, сферического пальца 9, поршня 6, и мест расточки в остове под коренные подшипники, а также допуски на межосевые расстояния. Возвратно-поступательное и возвратно-вращательное движения поршня 6 способствуют лучшему рабочему процессу в двигателе за счет лучшего смешивания топливо-воздушной смеси, что повышает топливную экономичность. Подшипники коренных валов могут быть выполнены подшипниками качения, что повышает механический коэффициент полезного действия двигателя. Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания обеспечивает упрощение конструкции, исключение дорогостоящих узлов и деталей: коленчатого вала, уменьшение в двое количество поршней, исключение шатунов, уменьшение габаритных и весовых показателей, снижение трудоемкости переборки при ремонте, снижение точности изготовления рабочего механизма и межосевых расстояний за счет применение сферического подшипника в качающемся кривошипе, улучшение топливной экономичности, улучшение экологичности. Предлагаемая конструкция может быть использована как в двигателях внутреннего сгорания, так и в компрессорах, гидромоторах и других механизмах, преобразующих вращательное движение деталей в поступательное и наоборот.The movement of the spherical head 10 of the piston pin 9 together with the spherical bearing 16 of the oscillating crank 15 occurs along a curved line indicated by points 0-1-2-3-4-5-6-7-0, respectively, in the three planes OY, OZ, OX. The direction of the gas pressure force P is close to the direction of movement of the spherical head 10. Torque M _cr on the main shaft 15 is formed from the pressure force P of the combustion products (Fig. 4) on the piston 6 and arm A: M _cr = P • A. The shoulder A depends on the angle β, i.e., A = + (β) and changes from the value 0 when the piston is at the top dead center of TDC to A _max when the piston 6 is located at an angle of rotation α of the main shaft 11 by an angle of 90 ^° . The oscillating crank 15 performs a complex spatial movement, and the piston 6 performs both reciprocating and reciprocal-rotational movements, and in a double stroke of the piston 6 equal to 2S, the main shaft 11 makes one revolution. A similar process occurs during the combustion of the air-fuel mixture in the remaining cylinder liners 5 of the compartments of the skeleton 4. The transmission of torque during the execution of the engine from the compartments of more than one occurs through one of the main shafts 11 through the camshaft 18 through gears 19 and gears 20. The rest of the systems and mechanisms The movement is no different from conventional engines. The proposed engine is designed to operate on a four-stroke cycle, but can be performed on a two-stroke cycle, in which pressure is reduced on the spherical bearing 16 and, therefore, on the oscillating crank 15, the main shaft 11 by reducing the pressure of the combustion products on the piston in one cylinder by compression force in the opposite cylinder. The use of a spherical bearing in a swinging crank 15 reduces the accuracy of manufacturing the working mechanism of movement: the main shaft 11, the swinging crank 15, the spherical pin 9, the piston 6, and the points of the bore in the skeleton under the main bearings, as well as tolerances for interaxal distances. The reciprocating and reciprocating movements of the piston 6 contribute to a better working process in the engine due to better mixing of the fuel-air mixture, which increases fuel efficiency. The bearings of the main shaft can be made of rolling bearings, which increases the mechanical efficiency of the engine. The proposed internal combustion engine provides simplification of the design, elimination of costly components and parts: the crankshaft, halving the number of pistons, eliminating the connecting rods, reducing the overall and weight indicators, reducing the complexity of the bulkhead during repair, reducing the accuracy of manufacturing the working mechanism and center distances due to the use of spherical bearing in a swinging crank, improving fuel economy, improving environmental friendliness. The proposed design can be used both in internal combustion engines and in compressors, hydraulic motors and other mechanisms that convert the rotational movement of parts into translational and vice versa.

Claims

1. An internal combustion engine containing a skeleton in which at least one compartment is located with two cylinder bushings mounted opposite each other, a main shaft and camshafts interconnected by a mechanical transmission, a movement mechanism including pistons, a main shaft, characterized in that in each compartment of the skeleton one piston with two heads is installed in two opposite cylinder bushings, in the middle of which a piston pin is fixed, the outlet end of which from the piston is made in the form e of the spherical head, and the main shaft, made of cylindrical shape and mounted in the skeleton on bearings, on one of the ends of which from the side of the cylinder bushings two cylindrical fingers are cantilevered, the axes of which are perpendicular to the longitudinal axis of the main shaft, the mechanism of movement of each compartment of the skeleton is equipped with a swinging crank one end of which is connected to the spherical head of the piston pin by means of a spherical bearing, and the other end of it is connected to the fingers of the main shaft by bearings .

2. The internal combustion engine according to claim 1, characterized in that, when the engine core is made of compartments of more than one, the main shafts of each compartment of the skeleton are mechanically connected to each other by a camshaft through a gear transmission to transmit torque to one of the main shafts.