RU2117791C1

RU2117791C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2117791C1
Application number: RU96122674/06A
Authority: RU
Inventors: А.И. Костин; В.А. Язев; В.П. Штагер; А.О. Миллер; ков М.В. Дь; М.В. Дьяков
Original assignee: Костин Анатолий Иванович
Priority date: 1996-11-26
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1998-08-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; engines. SUBSTANCE: engine has two parallel paired cylinders 1,2 connected by bypass channel 3. Axes of cylinders 1,2 and axis of cranks 12,13 are located in one plane. EFFECT: prevention of wedging of power mechanism, simplified design, reduced overall dimensions. 3 cl, 3 dwg

Description

Область техники: поршневые машины, в частности двигатели внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное рабочего вала. Field of technology: piston machines, in particular internal combustion engines with a rodless mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into a rotational working shaft.

Уровень техники: известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом и крестообразным расположением цилиндров (см. авт.св. СССР N 118471, кл. F 01 B 9/02, 1958), содержащий корпус, два кривошипа, штоки, соединенные с поршнями и коленчатым валом, соединительный вал, синхронизирующий вращение кривошипов. BACKGROUND OF THE INVENTION An internal combustion engine with a rodless mechanism and a cruciform arrangement of cylinders is known (see ed. St. USSR N 118471, class F 01 B 9/02, 1958), comprising a housing, two cranks, rods connected to pistons and a cranked shaft, connecting shaft, synchronizing the rotation of the cranks.

Недостатком этого двигателя являются большие размеры поперечного сечения, сложность коммуникаций и обслуживания из-за крестообразного расположения цилиндров, а также неудовлетворительная экономичность, присущая рабочему процессу с принудительным зажиганием рабочей смеси. Достоинством его является высокий механический КПД. The disadvantage of this engine is the large size of the cross section, the complexity of communications and maintenance due to the cross-shaped arrangement of the cylinders, as well as the poor efficiency inherent in the working process with forced ignition of the working mixture. Its advantage is high mechanical efficiency.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является двигатель внутреннего сгорания (см. патент России N 2008478, кл. F 02 B 75/32, 1994) с двухрядным параллельным расположением в корпусе спаренных цилиндров, надпоршневые камеры которых соединены перепускным каналом, бесшатунным механизмом преобразования движения, содержащим два коленчатых вала, установленных в соответствующих кривошипах, поршни, штоки, ползуны, соединительный вал с шестернями для синхронизации движения кривошипов и балансиры, движущиеся в плоскости осей кривошипов, причем кривошипы совместно работающих цилиндров развернуты относительно друг друга на угол, обеспечивающий смещение по фазе в движении поршней совместно работающих цилиндров. The closest in technical essence to the claimed one is an internal combustion engine (see Russian patent N 2008478, class F 02 B 75/32, 1994) with a two-row parallel arrangement in the case of twin cylinders, the piston chambers of which are connected by a bypass channel, a rodless movement conversion mechanism containing two crankshafts installed in the corresponding cranks, pistons, rods, sliders, a connecting shaft with gears for synchronizing the movement of the cranks and balancers moving in the plane of the axes of the cranks, p When in use, the cranks of cooperating cylinders are unfolded from each other by an angle that provides a phase shift in the movement together of pistons working cylinders.

К недостаткам двигателя следует отнести увеличенные габариты поперечного сечения корпуса двигателя, несимметричность нагружения силового механизма, а также сложность разборки и сборки. Наиболее компактная конструкция двигателя может быть получена при числе цилиндров, кратном четырем. Попытка создания двух- или шестицилиндрового двигателя приводит к существенному увеличению удельной массы и габаритов из-за необходимости иметь избыточное количество балансиров ( в сравнении с четырехцилиндровым двигателем). The disadvantages of the engine include increased dimensions of the cross section of the engine casing, asymmetric loading of the power mechanism, as well as the complexity of disassembly and assembly. The most compact engine design can be obtained with a multiple of four cylinders. An attempt to create a two- or six-cylinder engine leads to a significant increase in specific gravity and dimensions due to the need to have an excessive number of balancers (compared to a four-cylinder engine).

Первый недостаток определяется увеличением выхода балансиров в сторону внешней стенки корпуса, связанным со смещением центра тяжести балансира в ту же сторону, а также расположением маховика со смещением от центра корпуса (на ось одной из пар кривошипов). При этом увеличивается ширина корпуса. Увеличение высоты корпуса связано с размещением соединительного вала в нижней части двигателя (ниже направляющих балансиров). The first drawback is determined by the increase in the output of the balancers towards the outer wall of the housing, related to the shift of the center of gravity of the balancer in the same direction, as well as the location of the flywheel with an offset from the center of the housing (on the axis of one of the pairs of cranks). This increases the width of the body. The increase in housing height is associated with the placement of the connecting shaft in the lower part of the engine (below the guide balancers).

Второй недостаток связан с тем, что последовательное нагружение поршней в цилиндрах вдоль оси коленчатого вала приводит к перекладке (перекосу) коленчатого вала в опорных подшипниках в кривошипах. Следствием может быть заклинивание концевых шеек коленчатого вала. Кроме того, силовые механизмы спаренных цилиндров нагружены неравномерно из-за сдвига по фазе в движении поршней. The second disadvantage is that the sequential loading of the pistons in the cylinders along the axis of the crankshaft leads to a shift (skew) of the crankshaft in the thrust bearings in the cranks. The result may be jamming of the end necks of the crankshaft. In addition, the power mechanisms of paired cylinders are loaded unevenly due to a phase shift in the movement of the pistons.

Сложность сборки и разборки связана с малым расстоянием между балансирами соседних рядов цилиндров и их расположением в труднодоступном месте. The complexity of assembly and disassembly is associated with the small distance between the balancers of adjacent rows of cylinders and their location in an inaccessible place.

Достоинством двигателя является высокая экономичность, связанная с особой формой организации рабочего процесса в спаренных цилиндрах, меньшие габариты и удельная масса в сравнении с аналогичными двигателями с кривошипно-шатунным механизмом. The advantage of the engine is high efficiency associated with a special form of organization of the working process in twin cylinders, smaller dimensions and specific gravity in comparison with similar engines with a crank mechanism.

Задача изобретения - устранение указанных недостатков, то есть упрощение конструкции, уменьшение габаритов и устранение возможности заклинивания силового механизма. The objective of the invention is the elimination of these disadvantages, that is, simplifying the design, reducing the size and eliminating the possibility of jamming of the power mechanism.

Указанная задача достигается тем, что в двигателе, содержащем корпус, по меньшей мере два параллельно расположенных цилиндра, надпоршневые камеры которых соединены перепускным каналом, свечу зажигания в одной из камер, бесшатунный механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала с кривошипами и установленным в них концевыми шейками коленчатым валом, соединительный вал, синхронизирующий посредством шестерен взаимное положение кривошипов, поршни, штоки, ползуны и балансир, согласно изобретению оси цилиндров, соединенных перепускным каналом, и ось кривошипов расположены в одной плоскости. This task is achieved by the fact that in the engine containing the housing, at least two cylinders located in parallel, the piston chambers of which are connected by the bypass channel, the spark plug in one of the chambers, the rodless mechanism for converting the reciprocating motion of the pistons into rotational motion of the working shaft with cranks and a crankshaft installed in them by end necks, a connecting shaft synchronizing by means of gears the relative position of the cranks, pistons, rods, sliders and balancer, according to invention clearly cylinder axis connected passageway, and crank axle are arranged in one plane.

Упрощение конструкции связано с использованием рядной схемы двигателя вместо двухрядной и, следовательно, удобством доступа к элементам силового механизма. Уменьшение габаритов связано с возможностью устранения смещения центра тяжести балансира с оси штоковой шейки, расположения оси соединительного вала выше оси кривошипов у боковой стенки корпуса, совмещения оси маховика с продольной осью двигателя. Устранение возможности заклинивания бесшатунного силового механизма связано с одновременным, симметричным относительно балансира, нагружением шеек коленчатого вала усилиями совместно работающих цилиндров. Simplification of the design is associated with the use of an in-line engine circuit instead of a two-row one and, therefore, ease of access to the elements of the power mechanism. The reduction in size is associated with the possibility of eliminating the shift of the center of gravity of the balancer from the axis of the rod neck, the location of the axis of the connecting shaft above the axis of the cranks at the side wall of the housing, the alignment of the axis of the flywheel with the longitudinal axis of the engine. The elimination of the possibility of jamming of the rodless power mechanism is associated with the simultaneous loading of the crankshaft necks symmetrical with respect to the balancer by the forces of the working cylinders.

На фиг. 1 схематично изображен поперечный разрез двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания предлагаемой конструкции; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечный разрез двухтактного двигателя предлагаемой конструкции с поршневым продувочным насосом. In FIG. 1 schematically shows a cross-section of a two-cylinder internal combustion engine of the proposed design; in FIG. 2 is a section AA in FIG. one; in FIG. 3 is a cross section of a two-stroke engine of the proposed design with a piston purge pump.

Двигатель содержит по меньшей мере два цилиндра 1 и 2, оси которых параллельны. Надпоршневые камеры цилиндров различны по объему и соединены перепускным каналом 3. Свеча зажигания 4 расположена в одной из камер сгорания. Бесшатунный силовой механизм содержит два поршня 5, штоки 6 и 7, два ползуна 8, коленчатый вал 9 с концевыми и штоковыми шейками, коленами и щеками, балансир 10, кривошипы 11 и 12, шестерни 13 - 16 для синхронизации вращения кривошипов с помощью соединительного вала 17. Ползуны 8 и балансир 10 установлены с возможностью движения в направляющих корпуса, первые - вертикально, второй - горизонтально. На кривошипах 11 и 12 установлены противовесы 18. Оси цилиндров 1 и 2, а также кривошипов 11 и 12 расположены в одной плоскости. The engine contains at least two cylinders 1 and 2, the axes of which are parallel. The piston chambers of the cylinders are different in volume and are connected by the bypass channel 3. The spark plug 4 is located in one of the combustion chambers. The rod-free power mechanism contains two pistons 5, rods 6 and 7, two sliders 8, a crankshaft 9 with end and rod necks, knees and cheeks, a balancer 10, cranks 11 and 12, gears 13 - 16 for synchronizing the rotation of cranks using a connecting shaft 17. The sliders 8 and the balancer 10 are mounted with the possibility of movement in the guides of the housing, the first vertically, the second horizontally. Counterweights 18 are installed on the cranks 11 and 12. The axes of the cylinders 1 and 2, as well as the cranks 11 and 12 are located in the same plane.

Двухтактный двигатель, представленный на фиг. 3, содержит дополнительно продувочные 19 и выпускные 20 окна, продувочный насос 21. Балансир 10 состоит из ползунов, аналогичных ползуну 8, соединенному штоком 22 с поршнем продувочного насоса 23. Продувочный насос снабжен коробкой 24 впускных и продувочных пластинчатых клапанов. Продувочные окна 19 сообщены с коробкой 24 посредством канала 25. The two-stroke engine of FIG. 3, additionally contains purge 19 and outlet 20 windows, a purge pump 21. The balancer 10 consists of sliders similar to a slider 8 connected by a rod 22 to the piston of the purge pump 23. The purge pump is equipped with a box 24 of inlet and purge plate valves. The purge windows 19 are in communication with the box 24 through the channel 25.

В двигателе с совместно работающими цилиндрами могут быть реализованы различные способы организации рабочего процесса. Двигатель по одному из возможных способов работает следующим образом. In an engine with jointly working cylinders, various methods of organizing a work process can be implemented. The engine in one of the possible ways works as follows.

В цилиндр 1 со свечей зажигания 4 подается от карбюратора (на чертеже не показан) смесь в пределах устойчивого искрового зажигания. В цилиндр 2 с меньшим объемом камеры сжатия подается смесь в пределах от обогащенного состава до чистого воздуха (переменного в зависимости от нагрузки). При синхронном движении поршней 5 в процессе сжатия часть заряда цилиндра 2 перетекает через канал 3 в цилиндр 1 из-за разности объемов камеры сжатия. Заряд цилиндра 1 после его воспламенения от свечи 4 интенсивно турбулизуется перетекающим зарядом, что обеспечивает быстрое и совершенное сгорание топлива в цилиндре 1. С развитием сгорания пламя в виде факела выбрасывается через канал 3 в камеру сгорания цилиндра 2. В результате обеспечиваются условия бездетонационной работы двигателя при высокой степени сжатия на низкооктановом топливе, а также обеднения смеси на режимах частичных нагрузок до коэффициента избытка воздуха α = 2,5. Процесс расширения газов осуществляется в обоих цилиндрах одновременно. Давление газов через поршни 5, штоки 6 и 7, ползуны 8 передает усилие на штоковые шейки коленчатого вала 9 и далее на кривошипы 11 и 12, заставляя их вращаться. Синхронизация движения кривошипов обеспечивается через шестерни 13 - 16 и соединительный вал 17. Боковые усилия с поршней 5 перенесены на ползуны 8 и балансир 10, работающие по направляющим корпуса в условиях жидкостного трения, что повышает механический КПД двигателя. Массы балансира 10 и противовесов 18 выбраны таким образом, что полностью уравновешиваются силы инерции поступательно и вращательно движущихся масс силового механизма. Благодаря одновременному, симметричному относительно балансира 10 (см. фиг. 2), нагружению штоковых шеек коленчатого вала 9 устраняется возможность перекоса коленчатого вала и заклинивания его концевых шеек в подшипниках кривошипов. Использование рядного расположения цилиндров и одновальной схемы силового механизма, в сравнении с прототипом, уменьшает габариты двигателя, удельную массу и упрощает конструкцию двигателя, его сборку и разборку. Дальнейшее упрощение конструкции может быть достигнуто при выполнении соединительным валом 17 дополнительных функций: распределительного вала и (или) вала привода топливного насоса. При этом на соединительном валу выполняются соответствующие кулачки привода клапанов и толкателей топливного насоса. In the cylinder 1 with spark plugs 4, a mixture is supplied from a carburetor (not shown in the drawing) within a stable spark ignition. In cylinder 2 with a smaller volume of the compression chamber, a mixture is supplied ranging from the enriched composition to clean air (variable depending on the load). With the synchronous movement of the pistons 5 during compression, part of the charge of the cylinder 2 flows through the channel 3 into the cylinder 1 due to the difference in the volumes of the compression chamber. The charge of cylinder 1 after its ignition from candle 4 is intensively turbulized by the flowing charge, which ensures fast and perfect combustion of fuel in cylinder 1. With the development of combustion, a flame in the form of a torch is ejected through channel 3 into the combustion chamber of cylinder 2. As a result, the conditions of detonation-free operation of the engine are ensured when high compression ratio on low-octane fuel, as well as depletion of the mixture under partial load conditions to an excess air coefficient α = 2.5. The process of gas expansion is carried out in both cylinders simultaneously. The gas pressure through the pistons 5, rods 6 and 7, sliders 8 transfers the force to the rod necks of the crankshaft 9 and further to the cranks 11 and 12, forcing them to rotate. The movement of the cranks is synchronized through gears 13 - 16 and the connecting shaft 17. Lateral forces from the pistons 5 are transferred to the sliders 8 and the balancer 10 operating along the guides of the housing under liquid friction conditions, which increases the mechanical efficiency of the engine. The masses of the balancer 10 and the balances 18 are selected in such a way that the inertia forces of the translationally and rotationally moving masses of the power mechanism are fully balanced. Due to the simultaneous loading of the rod necks of the crankshaft 9, symmetrical with respect to the balancer 10 (see FIG. 2), the possibility of distortion of the crankshaft and jamming of its end necks in the crank bearings is eliminated. The use of the in-line arrangement of the cylinders and the single-shaft scheme of the power mechanism, in comparison with the prototype, reduces the dimensions of the engine, specific gravity and simplifies the design of the engine, its assembly and disassembly. Further simplification of the design can be achieved by performing the connecting shaft 17 additional functions: camshaft and (or) the shaft of the drive of the fuel pump. At the same time, the corresponding cams of the valve actuators and pushers of the fuel pump are made on the connecting shaft.

Двухтактный двигатель, представленный на фиг. 3, работает аналогичным образом, как и двигатель по фиг. 1 и 2. Отличия связаны с введением продувочных 19 и выпускных окон 20 в цилиндрах 1 и 2, а также наличием поршневого продувочного насоса 21. Продувочный насос в сравнении с кривошипно-камерной продувкой обеспечивает лучшее наполнение цилиндров, и, как следствие, более высокую удельную мощность. Отличительная особенность двигателя заключается в том, что, несмотря на подключение продувочного насоса (а следовательно, подвижных масс штока 22 и поршня продувочного насоса 23), масса подвижных частей двигателя в сравнении с аналогичными массами на фиг. 1 и 2 не увеличивается. В этом случае составляющими массы балансира 10, рассчитанной из условий уравновешивания сил инерции поступательно движущихся частей в рабочих цилиндрах, являются масса ползуна (аналогично ползуну 8), масса штока 6 и масса поршня продувочного насоса 23. То есть функция балансира возложена на ползун и поршень продувочного насоса 23, соединенные штоком 22. Всасывание воздуха в продувочный насос 21 и его подача к продувочным окнам осуществляются через коробку 24 впускных и продувочных пластинчатых клапанов. Последние клапаны подключены к продувочным окнам 19 рабочих цилиндров 1 и 2 через канал 25. The two-stroke engine of FIG. 3 operates in the same manner as the engine of FIG. 1 and 2. The differences are related to the introduction of the purge 19 and outlet windows 20 in the cylinders 1 and 2, as well as the presence of a piston purge pump 21. The purge pump, in comparison with the crank-chamber purge, provides better filling of the cylinders, and, as a result, a higher specific power. A distinctive feature of the engine is that, despite the connection of the purge pump (and therefore the movable masses of the rod 22 and the piston of the purge pump 23), the mass of the moving parts of the engine in comparison with similar masses in FIG. 1 and 2 does not increase. In this case, the mass components of the balancer 10, calculated from the conditions of balancing the inertia forces of the progressively moving parts in the working cylinders, are the mass of the slider (similar to slider 8), the mass of the rod 6 and the mass of the piston of the purge pump 23. That is, the function of the balancer is assigned to the slider and piston of the purge a pump 23 connected by a rod 22. The air is sucked into the purge pump 21 and supplied to the purge windows through the box 24 of the inlet and purge plate valves. The last valves are connected to the purge windows 19 of the working cylinders 1 and 2 through the channel 25.

На фиг. 3 представлена схема продувочного насоса одностороннего действия. Но подобный насос может быть и двустороннего действия, когда в процессе сжатия используется как прямой, так и обратный ход продувочного насоса. In FIG. 3 shows a diagram of a single-acting purge pump. But such a pump can be of two-sided action, when both the forward and reverse stroke of the purge pump are used in the compression process.

Использование предлагаемого двигателя, в сравнении с ближайшим аналогом, исключает возможность заклинивания силового механизма, уменьшает объемные габариты двухцилиндрового двигателя аналогичной размерности на 40%, а также существенно упрощает его сборку и разборку. The use of the proposed engine, in comparison with the closest analogue, eliminates the possibility of jamming of the power mechanism, reduces the volumetric dimensions of a two-cylinder engine of the same dimension by 40%, and also greatly simplifies its assembly and disassembly.

Claims

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, по меньшей мере два параллельных цилиндра, надпоршневые камеры которых соединены перепускным каналом, свечу зажигания в одной из камер, бесшатунный механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала с кривошипами и установленным в них концевыми шейками коленчатым валом, соединительный вал, синхронизирующий посредством шестерен взаимное положение кривошипов, поршни, штоки, ползуны и балансир, отличающийся тем, что оси цилиндров, соединенных перепускным каналом, и ось кривошипов расположены в одной плоскости. 1. An internal combustion engine comprising a housing of at least two parallel cylinders, the piston chambers of which are connected by a bypass channel, a spark plug in one of the chambers, a rodless mechanism for converting reciprocating pistons into rotational movement of the working shaft with cranks and end mounted therein by the crankshaft necks, a connecting shaft synchronizing by means of gears the relative position of the cranks, pistons, rods, sliders and a balancer, characterized in that the cylinder axis Connected by a passageway, and crank axle are arranged in one plane.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что соединительный вал снабжен кулачками для обеспечения возможности реализации им функции распределительного вала. 2. The engine according to claim 1, characterized in that the connecting shaft is equipped with cams to enable it to implement the camshaft function.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что к нему подключен поршневой продувочный насос, а балансир выполнен в виде ползуна, соединенного посредством штока с поршнем продувочного насоса для выполнения двигателя двухтактным. 3. The engine according to claims 1 and 2, characterized in that a piston purge pump is connected to it, and the balancer is made in the form of a slider connected via a rod to the piston of the purge pump to perform a two-stroke engine.