RU2482301C1

RU2482301C1 - Opposed internal combustion engine without piston rod

Info

Publication number: RU2482301C1
Application number: RU2011154717/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Семенов; Владимир Яковлевич Савицкий; Юрий Алексеевич Дьячков
Original assignee: Александр Алексеевич Семенов
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-05-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: opposed internal combustion engine without a piston rod contains opposed cylinders with pistons and conversion mechanism of gear type, in which the first piston is rigidly connected to the left gear sleeve of conversion mechanism, the second piston is located symmetrically to cylinders axis at an angle of 180° relative to the first piston and is rigidly connected to the right gear sleeve. Sleeves are designed hollow inside and have four teeth with rounded top and a base which height is equal to piston stroke. By teeth sleeves interact with teeth of working gearwheel. Gear sleeves are connected to engine housing by flexible spline joint. Conversion of piston reciprocating movement to rotary movement of working gearwheel is performed by means of interaction of its teeth with the sleeve teeth.

EFFECT: reducing imbalance and reducing height of the engine centre of gravity for its dynamic stability.

1 dwg

Description

Бесшатунный оппозитный двигатель внутреннего сгорания относится к отрасли машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к конструкциям бесшатунных двигателей внутреннего сгорания с оппозитно расположенными цилиндропоршневыми группами.The rod-free opposed internal combustion engine belongs to the machine-building industry, in particular to the engine-building industry, and in particular to the design of rod-free internal combustion engines with opposed cylinder-piston groups.

Известно, что в двигателях внутреннего сгорания преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное производится кривошипно-шатунным механизмом (КШМ). Вращающий момент коленчатого вала изменяется по законам синуса и косинуса и во многом зависит от изменения угла наклона шатуна, тем самым теряется часть энергии, образующейся при сгорания топливовоздушной смеси, кроме силы инерции КШМ необходимо уравновешивать при помощи дополнительных масс и устройств (кн. Автомобильные и тракторные двигатели, ч.II, под ред. проф. И.М.Ленина, М.: Высшая школа, 1976, с.34).It is known that in internal combustion engines, the conversion of the reciprocating motion into rotational is carried out by a crank mechanism (KShM). The torque of the crankshaft varies according to the laws of sine and cosine and largely depends on the change in the angle of the connecting rod, thereby losing some of the energy generated by the combustion of the air-fuel mixture, in addition to the inertia of the crankshaft it is necessary to balance using additional masses and devices (book Automotive and tractor engines, part II, under the editorship of Prof. I.M. Lenin, M .: Higher School, 1976, p. 34).

Так, например, известен оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, шарнирно соединенными с соответствующими им шатунами, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180° относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго шатуна, который выполнен вильчатым и охватывает первый кривошип (в.з. ФРГ 3132144, опубл. 03.03.83 г., МКИ F16F 15/24).Thus, for example, an opposed internal combustion engine is known, comprising first and second cylinders arranged coaxially and symmetrically with respect to the axis of the three-crank crankshaft with first and second pistons mounted pivotally connected to their corresponding connecting rods, the first piston being connected to the first crank by means of the first connecting rod and the second piston is connected with the second and third cranks arranged symmetrically about the axis of the cylinders at an angle of 180 ° relative to the first crank by orogo rod which is configured fork and covers the first crank (vz FRG 3132144, publ. 03.03.83, at MKI F16F 15/24).

Оппозитный двигатель внутреннего сгорания известной конструкции сбалансирован не только относительно сил инерции вращающихся и движущихся возвратно-поступательно масс двигателя, но и относительно моментов инерции первой и высших степеней, возникающих вследствие осевого смещения шатунных шеек во время работы двигателя.The opposed internal combustion engine of a known design is balanced not only with respect to the inertia forces of the rotating and reciprocating engine masses, but also with respect to the moments of inertia of the first and higher degrees resulting from the axial displacement of the connecting rod journals during engine operation.

Недостаток известного устройства - чрезмерные нагрузки на кривошипношатунный механизм и опоры двигателя - обусловлен тем, что удаленность второй и третьей шатунных шеек от оси цилиндров требует использования второго, вильчатого шатуна больших размеров и массы. Для обеспечения уравновешенности двигателя первый, обычный шатун необходимо выполнить с массой, равной массе вильчатого шатуна, то есть заведомо переутяжелить.A disadvantage of the known device - excessive loads on the crank mechanism and engine mounts - is due to the fact that the remoteness of the second and third connecting rods from the axis of the cylinders requires the use of a second, forked connecting rod of large dimensions and mass. To ensure the balance of the engine, the first, ordinary connecting rod must be performed with a mass equal to the mass of the forked connecting rod, that is, knowingly overload.

Однако вследствие возрастания сил инерции движущихся масс возрастают и нагрузки на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя.However, due to an increase in the inertia forces of the moving masses, the loads on the crank mechanism and engine mounts also increase.

Прототипом заявляемого устройства является оппозитный двигатель внутреннего сгорания, содержащий расположенные соосно и симметрично относительно оси трехкривошипного коленчатого вала первый и второй цилиндры с установленными в них первым и вторым поршнями, шарнирно соединенными с соответствующими им шатунами с помощью поршневых пальцев, установленных в отверстиях стенки тронка каждого поршня, причем первый поршень связан с первым кривошипом посредством первого шатуна, соединенного с поршневым пальцем во внутренней полости первого поршня, а второй поршень связан с расположенными симметрично относительно оси цилиндров под углом 180° относительно первого кривошипа вторым и третьим кривошипами посредством второго и третьего шатунов соответственно, масса каждого из которых в два раза меньше, чем масса первого шатуна (заявка ЕПВ 0503842 А1, опубл. 05.03.92 г., МКИ F02B 75/24, F01B 7/06, F02F 7/00).The prototype of the claimed device is a boxer internal combustion engine, containing the first and second cylinders arranged coaxially and symmetrically with respect to the axis of the three-crank crankshaft with the first and second pistons mounted pivotally to the corresponding connecting rods using piston fingers mounted in the holes of the piston wall of each piston moreover, the first piston is connected to the first crank by means of a first connecting rod connected to the piston pin in the inner cavity of the first the piston, and the second piston is connected with the second and third cranks located symmetrically about the axis of the cylinders at an angle of 180 ° relative to the first crank by the second and third rods, respectively, the mass of each of which is two times less than the mass of the first connecting rod (EPO application 0503842 A1, publ. 03.03.92, MKI F02B 75/24, F01B 7/06, F02F 7/00).

Второй и третий шатуны согласно прототипу соединены с поршневым пальцем второго поршня во внутренней полости последнего, а поршневой палец закреплен концами в стенках тронка поршня.The second and third connecting rods according to the prototype are connected to the piston pin of the second piston in the inner cavity of the latter, and the piston pin is fixed by the ends in the walls of the piston throne.

В оппозитном двигателе внутреннего сгорания данной конструкции, как и в вышеупомянутом устройстве, массы и моменты инерции движущихся элементов, принадлежащих к первому и второму цилиндрам, одинаковы, благодаря чему обеспечивается их взаимная компенсация при вращении коленчатого вала.In the opposed internal combustion engine of this design, as in the aforementioned device, the masses and moments of inertia of the moving elements belonging to the first and second cylinders are the same, which ensures their mutual compensation during rotation of the crankshaft.

Однако удаленность второй и третьей шатунных шеек от оси цилиндров и необходимость размещения второго и третьего шатунов во внутренней полости второго поршня обусловливают использование цилиндропоршневых групп большого диаметра, что приводит к увеличению массы и площади поршней, то есть к увеличению как сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, так и сил давления газов на поршень, вследствие чего возрастают суммарные силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм и опоры двигателя.However, the remoteness of the second and third connecting rods from the axis of the cylinders and the need to place the second and third connecting rods in the inner cavity of the second piston necessitate the use of large-diameter cylinder-piston groups, which leads to an increase in the mass and area of the pistons, that is, to an increase in the inertia forces of the reciprocating moving masses , and gas pressure forces on the piston, as a result of which the total forces acting on the crank mechanism and engine mounts increase.

Таким образом, чрезмерная нагрузка на кривошипно-шатунный механизм и опоры известных оппозитных двигателей внутреннего сгорания с трехкривошипным коленчатым валом, отрицательно влияющая на показатели надежности и ресурс двигателя, объясняется тем, что следствием мероприятий, направленных на обеспечение уравновешивания моментов и сил инерции движущихся масс, неизменно становилось увеличение этих же масс (или массы шатунов или массы поршней).Thus, the excessive load on the crank mechanism and bearings of the known opposed opposed internal combustion engines with a three-crank crankshaft, which negatively affects the reliability indicators and engine life, is explained by the fact that the result of measures aimed at balancing the moments and inertia forces of moving masses is invariably it became an increase in the same masses (or the mass of the connecting rods or the mass of the pistons).

Предлагаемое изобретение направлено на совершенствование оппозитного двигателя внутреннего сгорания, повышение полезной работы при преобразовании возвратно-поступательного движения во вращательное путем использования новой схемы соединения поршня с рабочей шестерней, обеспечивающей повышение полезной нагрузки на рабочую шестерню, которая позволяет уменьшить неуравновешенность двигателя, повысить его экономичность.The present invention is aimed at improving the opposed internal combustion engine, increasing the useful work when converting the reciprocating motion into rotational by using a new scheme for connecting the piston to the working gear, which increases the payload on the working gear, which allows to reduce the imbalance of the engine, to increase its efficiency.

Это достигается тем, что в оппозитном двигателе, содержащем оппозитные цилиндры с поршнями согласно предлагаемому изобретению, дополнительно введен преобразующий механизм зубчатого типа, в котором первый поршень жестко связан с левой зубчатой втулкой преобразующего механизма, второй поршень расположен симметрично оси цилиндров под углом 180° относительно первого и жестко связан с правой зубчатой втулкой, втулки полые внутри имеют 4 зуба с закругленными вершиной и основанием, высота которых равна ходу поршня, своими зубцами они взаимодействуют с зубцами рабочей шестерни, кроме того, зубчатые втулки связаны подвижным шлицевым соединением с корпусом двигателя.This is achieved by the fact that in the opposed engine containing opposed cylinders with pistons according to the invention, a gear type conversion mechanism is additionally introduced, in which the first piston is rigidly connected to the left gear sleeve of the transform mechanism, the second piston is located symmetrically to the cylinder axis at an angle of 180 ° relative to the first and rigidly connected to the right gear sleeve, the inside hollow bushings have 4 teeth with a rounded apex and base, the height of which is equal to the piston stroke, they interact with their teeth They work with the teeth of the working gear, in addition, the gear sleeves are connected by a movable spline connection to the motor housing.

Введение преобразующего механизма зубчатого типа обеспечивает преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное рабочей шестерни с постоянным углом силового взаимодействия при передвижении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) и нижней мертвой точке (НМТ).The introduction of the gear-type transforming mechanism converts the reciprocating motion of the pistons into a rotary working gear with a constant angle of force interaction when moving the piston to top dead center (TDC) and bottom dead center (BDC).

На фиг.1 представлен бесшатунный оппозитный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из корпуса 1, в котором размещены оппозитные цилиндры с поршнями, и преобразующего механизма зубчатого типа, в котором первый поршень 4 жестко связан с левой зубчатой втулкой 7 преобразующего механизма через шатун 5, второй поршень 11 расположен симметрично оси цилиндров под углом 180° относительно первого и жестко связан с правой зубчатой втулкой 9 через шатун 10, втулки полые внутри имеют 4 зуба с закругленными вершиной и основанием, высота которых равна ходу поршня, своими зубцами они взаимодействуют с зубцами рабочей шестерни 8, кроме того, зубчатые втулки связаны подвижным шлицевым соединением с корпусом двигателя. Рабочая шестерня 8 через шестерню 16 связана с выходным валом 15. Топливо подается через левую 3 и правую 14 форсунки, а воздух левым 6 и правым 12 компрессорами. Выпуск отработавших газов производится через левый 2 и правый 13 выпускные клапаны соответствующих цилиндров.Figure 1 shows a rodless opposed opposed internal combustion engine, consisting of a housing 1 in which the opposed cylinders with pistons are placed, and a gear type gear mechanism in which the first piston 4 is rigidly connected to the left gear sleeve 7 of the transform mechanism through the connecting rod 5, the second piston 11 is located symmetrically to the cylinder axis at an angle of 180 ° relative to the first and is rigidly connected to the right gear sleeve 9 through the connecting rod 10, the hollow bushings inside have 4 teeth with a rounded apex and base, the height of which is equal to the stroke at the piston, with their teeth they interact with the teeth of the working gear 8, in addition, the gear sleeves are connected by a movable spline connection to the engine housing. The working gear 8 through the gear 16 is connected with the output shaft 15. Fuel is supplied through the left 3 and right 14 nozzles, and the air left 6 and right 12 compressors. The exhaust gas is discharged through the left 2 and right 13 exhaust valves of the respective cylinders.

Принцип работы устройства связан с повторяющимся рабочим циклом. Рабочий цикл двигателя это периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Рабочий цикл совершается за два хода поршня, при этом выполняются циклы: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.The principle of operation of the device is associated with a repeating duty cycle. The engine’s duty cycle is a periodically repeating series of sequential processes that occur in each cylinder of the engine and cause the conversion of thermal energy into mechanical work. The duty cycle takes place in two piston strokes, while the following cycles are performed: intake, compression, stroke and exhaust.

Впуск. По мере того как рабочая шестерня 8 двигателя делает первый полуоборот, зубцы рабочей шестерни скользят по поверхности зубцов левой зубчатой втулки 7, которая при скольжении по зубъям шестерни перемещается по шлицам на высоту профиля зуба, при этом левый поршень 4 перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт воздух, от компрессора подается в рабочий цилиндр, выпускной клапан закрыт. Inlet. As the working gear 8 of the engine makes the first half-turn, the teeth of the working gear slide along the surface of the teeth of the left gear sleeve 7, which, when sliding along the gear teeth, moves along the splines to the height of the tooth profile, while the left piston 4 moves from TDC to BDC, inlet the valve is open air, is supplied from the compressor to the working cylinder, the exhaust valve is closed.

Сжатие. После заполнения цилиндра воздухом при дальнейшем вращении рабочей шестерни (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются. В верхней точке поднятия поршня форсунка 3 впрыскивает порцию топлива в рабочий цилиндр под давлением.Compression. After filling the cylinder with air during further rotation of the working gear (second half-turn), the piston moves from BDC to TDC with the valves closed. As the volume decreases, the temperature and pressure of the working mixture increase. At the upper point of the piston raising, the nozzle 3 injects a portion of fuel into the working cylinder under pressure.

Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ, при этом усилие от поршня через шатун 5 передается зубчатой втулке 7, которая, двигаясь по шлицам параллельно оси поршня, скользит по зубьям рабочей шестерни, надавливая на ее зубья, обеспечивает вращение при скольжении зубьев рабочей шестерни по зубьям зубчатой втулки. При движении поршня под действием давления образующихся при давлении газов силовое воздействие через шатун и зубья зубчатой втулки передается на зубья шестерни, которые, обкатываясь по профилю зубьев втулки, вращают рабочую шестерню. Через зубья рабочей шестерни вращение передается через сопряженную шестерню на выходной вал.Extension or stroke. At the end of the compression stroke, the working mixture ignites and quickly burns out, as a result of which the temperature and pressure of the resulting gases increases sharply, the piston moves from TDC to BDC, while the force from the piston through the connecting rod 5 is transmitted to the gear sleeve 7, which, moving along the splines parallel to the axis the piston, slides along the teeth of the working gear, pressing on its teeth, provides rotation when the teeth of the working gear slide along the teeth of the gear sleeve. When the piston moves under the pressure of the gases generated under pressure, the force through the connecting rod and teeth of the gear sleeve is transmitted to the gear teeth, which, rolling around the profile of the teeth of the sleeve, rotate the working gear. Through the teeth of the working gear, rotation is transmitted through the mating gear to the output shaft.

В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3-0.75 МПа, а температура до 950-1200°С.At the end of the stroke of the piston, when it is near the BDC, the exhaust valve opens, the pressure in the cylinder decreases to 0.3-0.75 MPa, and the temperature to 950-1200 ° C.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.Release. In the fourth half-turn of the crankshaft, the piston moves from BDC to TDC. In this case, the exhaust valve is open, and the combustion products are pushed out of the cylinder into the atmosphere through the exhaust gas pipeline.

Представленная конструкция обеспечивает работу двигателя без кривошипно-шатунного механизма, устраняет его недостатки, обеспечивает увеличение кпд за счет постоянного угла зацепления зубьев зубчатой втулки и рабочей шестерни, уменьшает неуравновешенность двигателя.The presented design ensures the operation of the engine without a crank mechanism, eliminates its shortcomings, provides an increase in efficiency due to the constant angle of engagement of the teeth of the gear sleeve and the working gear, reduces engine imbalance.

Claims

A rod-free opposed internal combustion engine containing opposed cylinders with pistons, characterized in that it further has a gear type conversion mechanism in which the first piston is rigidly connected to the left gear sleeve of the conversion mechanism, the second piston is located symmetrically to the cylinder axis at an angle of 180 ° relative to the first and rigidly connected to the right gear sleeve, the hollow bushings inside have 4 teeth with a rounded apex and base, the height of which is equal to the stroke of the piston, they interact with their teeth with the teeth of the working gear, in addition, the gear sleeves are connected by a movable spline connection with the motor housing.