RU154269U1

RU154269U1 - COLORLESS PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Info

Publication number: RU154269U1
Application number: RU2014135058/06U
Authority: RU
Inventors: Николай Моисеевич Цовбун
Original assignee: Николай Моисеевич Цовбун
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания, включающий по два цилиндра на каждой из перекрещивающихся осей; в каждой паре цилиндров есть по два поршня, жестко соединенных пластиной, имеющей поперечную прорезь с двумя направляющими, по которым скользит крейцкопф с подшипником для шейки коленвала; коленчатый вал, жестко закрепленный в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластин.Rodless piston internal combustion engine, comprising two cylinders on each of the intersecting axes; in each pair of cylinders there are two pistons rigidly connected by a plate having a transverse slot with two guides along which a crosshead slides with a bearing for the crankshaft journal; a crankshaft rigidly mounted in bearing bearings located on both sides of the plates.

Description

Полезная модель относится к области двигателестроения. Полезная модель предлагает конструкцию бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС).The utility model relates to the field of engine manufacturing. The utility model offers the design of a rodless piston internal combustion engine (ICE).

За прототип принят бесшатунный поршневой ДВС с перекрещивающимися осями двигателя С.С. Баландина (http://www. volnovoidvigatel.ru/controd-free-engines/index.html).For the prototype adopted rodless piston ICE with intersecting axes of the engine S.S. Balandina (http://www.volnovoidvigatel.ru/controd-free-engines/index.html).

История развития бесшатунных поршневых двигателей, предложенных С. Баландиным, берет начало в тридцатых-сороковых годах прошлого века, когда в конструкторском бюро, где работал автор, были разработаны и построены несколько типов авиационных двигателей с необычным, отличным от кривошипно-шатунного, силовым механизмом.The history of the development of rodless piston engines proposed by S. Balandin dates back to the thirties and forties of the last century, when several types of aircraft engines with an unusual, different from crank, power mechanism were developed and built in the design office where the author worked.

Все построенные образцы основывались на схеме с одной избыточной кинематической связью.All constructed samples were based on a scheme with one excess kinematic connection.

Всего одна избыточная кинематическая связь в таком сложном механизме как ДВС ставила под сомнение всю его дальнейшую работоспособность. Тем более не было понимания того, как от этой связи избавиться, синхронизирующий механизм, о котором идет речь, являлся неотъемлемой частью самого двигателя.Only one excess kinematic connection in such a complex mechanism as ICE called into question all its further performance. Moreover, there was no understanding of how to get rid of this connection, the synchronizing mechanism in question was an integral part of the engine itself.

Бесшатунный поршневой двигатель С. Баландина содержит четыре поршня на перекрещивающихся осях; два штоковых подшипника; два консольных вала; четыре шестерни синхронезирующего механизма; планетарно вращающийся коленчатый вал; четыре подвижные опоры.S. Balandin's rodless piston engine contains four pistons on intersecting axles; two rod bearings; two cantilever shafts; four gears of the synchronizing mechanism; planetary rotating crankshaft; four movable supports.

Всего один планетарно вращающийся коленчатый вал заменяет в силовом механизме все шатуны. Вал установлен между двумя консольными вращающимися опорами, которые в свою очередь соединены между собой шестеренчатым механизмом из двух пар шестерен. Это и есть универсальный механизм связи поршней, предложенный С. Баландиным и обеспечивший в построенных образцах: малые габариты и вес, высокую оборотность, рациональный двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах, эффективную систему охлаждения поршней и, наконец, высокий механический КПД, величина которого на некоторых режимах работы двигателя достигала 94% (в обычных ДВС около 85%).Only one planetary rotating crankshaft replaces all the connecting rods in the power mechanism. The shaft is installed between two cantilever rotating bearings, which in turn are interconnected by a gear mechanism of two pairs of gears. This is the universal piston coupling mechanism proposed by S. Balandin and ensured in the constructed samples: small dimensions and weight, high revolutions, rational two-sided working process in cylinders, an effective piston cooling system and, finally, high mechanical efficiency, the value of which in some modes engine operation reached 94% (in conventional internal combustion engines about 85%).

Вопреки ожиданиям, у большинства построенных образцов при первых оборотах вала происходило заклинивание силового механизма в корпусе двигателя в результате задира поршней о зеркало цилиндров. Те, кто сумел спроектировать и построить работоспособный двигатель, обнаруживали в нем интенсивный износ и выкрашивание крейцкопфных направляющихContrary to expectations, in the majority of the constructed samples, at the first revolutions of the shaft, the power mechanism jammed in the engine casing as a result of the pistons being pulled against the cylinder mirror. Those who were able to design and build a workable engine found in it intense wear and chipping of crosshead guides

(питтинг). Все попытки бороться с этим явлением не приносили успеха. Живучесть силового механизма определялась несколькими часами работы.(pitting). All attempts to combat this phenomenon have not been successful. The survivability of the power mechanism was determined by several hours of operation.

В силовом механизме двигателя С С. Баландина каждый поршень через штоковую (шатунную) шейку опирается одной стороной на скользящий крейцкопф, а другой стороной на подверженный изгибу консольный вал и соответственно 50% нагрузки от газовых сил приходится на крейцкопфную опору (под ней находится остов двигателя), а остальные 50%, воспринимаются "упругим элементом", что делает конструкцию не надежной. Частично эта проблема была решена путем размещения концевых шеек планетарного вала внутри подшипников большого диаметра, при этом окружные скорости сопрягаемых наружных поверхностей подшипников увеличивались втрое.In the power mechanism of the engine of S. S. Balandin, each piston through the rod (connecting rod) neck is supported on one side by a sliding crosshead, and the other side on a bent cantilever shaft and, accordingly, 50% of the load from gas forces falls on a crosshead (under it there is a skeleton of the engine) , and the remaining 50% are perceived as an "elastic element", which makes the design not reliable. This problem was partially solved by placing the end necks of the planetary shaft inside large-diameter bearings, while the peripheral speeds of the mating outer surfaces of the bearings tripled.

Следующей нерешенной проблемой оставалась система подачи масла к трущимся поверхностям подшипников бесшатунного двигателя. Так, если концевые подшипники консольных опор работают в условиях гидродинамической жидкостной смазки, то создать аналогичные условия работы крейцкопфам, которые за один оборот вала дважды останавливаются, невозможно, такие подшипники могут работать только как гидростатические опоры. Основная же причина того, что применение рассматриваемой кинематической схемы не получило практической реализации, состоит в том, что она сложнее обычного кривошипно-шатунного механизма. В силовом механизме, помимо основных элементов, используются дополнительные синхронизирующие валы, связанные с основным валом шестернями. Большое количество сопрягаемых элементов требует высокого технологического уровня их изготовления. Соединенные последовательно, шестерни синхронизирующего механизма образуют длинную размерную цепь. Значение ее суммарного допуска должно быть меньше величины диаметрального зазора одного из крайних подшипников планетарного вала, иначе невозможно обеспечить его правой и левой половине синхронного вращения. Уложиться же в этот допуск технологически сложно. (http://www.volnovoidvigatel.ru/controd-free-engines/index.html).The next unresolved problem was the system of oil supply to the friction surfaces of the bearings of the rodless motor. So, if the end bearings of the cantilever bearings operate under conditions of hydrodynamic fluid lubrication, then it is impossible to create similar working conditions for crossheads that stop twice in one revolution of the shaft, such bearings can only work as hydrostatic bearings. The main reason that the application of the kinematic scheme under consideration has not received practical implementation is that it is more complicated than the usual crank mechanism. In the power mechanism, in addition to the main elements, additional synchronizing shafts are used, connected with the main shaft by gears. A large number of mating elements requires a high technological level of their manufacture. Linked in series, the gears of the synchronizing mechanism form a long dimensional chain. The value of its total tolerance should be less than the diametrical clearance of one of the extreme bearings of the planetary shaft, otherwise it is impossible to provide it to the right and left half of synchronous rotation. It is technologically difficult to meet this tolerance. (http://www.volnovoidvigatel.ru/controd-free-engines/index.html).

Предлагаемая заявителем полезная модель (Фиг. 1 и Фиг. 2) содержит во взаимно перпендикулярных цилиндрах четыре поршня на перекрещивающихся осях жестко соединенных: в прототипе через два штока и подвижную опору со штоковым подшипником (тот же крейцкопф), и в полезной модели - пластиной с поперечной прорезью для свободного движения крейцкопфа; по два крейцкопфа со штоковыми подшипниками для шейки коленвала у прототипа и полезной модели; планетарно вращающийсяThe utility model proposed by the applicant (Fig. 1 and Fig. 2) contains four pistons in mutually perpendicular cylinders on the intersecting axes which are rigidly connected: in the prototype, through two rods and a movable support with a rod bearing (the same crosshead), and in the utility model, a plate with a transverse slot for free crosshead movement; two crossheads with rod bearings for the crankshaft journal of the prototype and utility model; planetary rotating

коленчатый вал у прототипа и коленчатый вал, жестко закрепленный в коренных подшипниках, у полезной модели.the prototype crankshaft and the utility crankshaft rigidly fixed in the main bearings.

Предлагаемое устройство содержит коленчатый вал, жестко закрепленный в коренных подшипниках, стоящих по обе стороны от пластин, как в обычном (тронковом) ДВС, что устраняет перекосы, задиры, усиленный износ и позволяет снимать мощность с одного конца коленчатого вала.The proposed device contains a crankshaft, rigidly mounted in the main bearings, standing on both sides of the plates, as in a conventional (tronkovy) ICE, which eliminates distortions, scuffing, increased wear and allows you to remove power from one end of the crankshaft.

Полезная модель содержит свободно скользящие крейцкопфы перпендикулярно движению поршней по направляющим в поперечной прорези пластины, соединяющей два поршня.The utility model contains freely sliding crossheads perpendicular to the movement of the pistons along the guides in the transverse slot of the plate connecting the two pistons.

Таким образом, предлагаемый бесшатунный поршневой двигатель внутреннего сгорания включает по два цилиндра на каждой из перекрещивающихся осей; в каждой паре цилиндров есть по два поршня, жестко соединенных пластиной, имеющей поперечную прорезь с двумя направляющими, по которым скользит крейцкопф с подшипником для шейки коленвала; коленчатый вал, жестко закрепленный в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластин.Thus, the proposed rodless piston internal combustion engine includes two cylinders on each of the intersecting axes; in each pair of cylinders there are two pistons rigidly connected by a plate having a transverse slot with two guides along which a crosshead slides with a bearing for the crankshaft journal; a crankshaft rigidly mounted in bearing bearings located on both sides of the plates.

Это, казалось бы простое изменение конструкции, принципиально меняет свойства двигателя.This seemingly simple change in design fundamentally changes the properties of the engine.

На Фиг. 1 изображены: кинематическая схема предлагаемого устройства: 1, 2, 3, 4 - поршни; 5, 6, 7, 8 - цилиндры; 9 - пластина с поперечной прорезью, соединяющая два поршня; 10 - коренные подшипники; 11 - подшипники шейки коленвала крейцкопфа; 12 - рабочие крейцкопфы; 13 - коленчатый валIn FIG. 1 shows: kinematic diagram of the proposed device: 1, 2, 3, 4 - pistons; 5, 6, 7, 8 - cylinders; 9 - a plate with a transverse slot connecting two pistons; 10 - main bearings; 11 - bearings of the neck of the crosshead crankshaft; 12 - working crossheads; 13 - a cranked shaft

На Фиг. 2 - фронтальный вид поперечной прорези пластины, соединяющей два поршня: где 14-скользящий наружный подшипник крейцкопфа; те же (11) и (12).In FIG. 2 is a front view of a transverse slot of a plate connecting two pistons: where is a 14-sliding outer crosshead bearing; the same (11) and (12).

Крейцкопфы (12) имеют одну степень свободы и не оказывают давления на боковые стенки цилиндров, что повышает механический КПД, и, соответственно, уменьшается износ цилиндров и поршней, делает механизм высоко надежным с длительной работоспособностью. Крейцкопфы имеют скользящие подшипники: два плоских наружных (14) для направляющих в поперечной прорези пластины и внутренний (11) для шейки коленвала. Предлагаемое устройство имеет систему смазки через каналы в коленчатом валу, продолжающуюся на наружную поверхность крейцкопфа, аналогичную, как при кривошипно - шатунном механизме, кроме того смазка производится масляным туманом, порождаемом вращением коленчатого вала. Кроме того уменьшается длина самих поршней за счет отсутствия юбки поршня и места для поршневого пальца, остается только место для установки поршневых колец, что сокращает длину цилиндров и, соответственно,Crossheads (12) have one degree of freedom and do not exert pressure on the side walls of the cylinders, which increases the mechanical efficiency, and, accordingly, the wear of the cylinders and pistons decreases, making the mechanism highly reliable with long-term performance. Crossheads have sliding bearings: two flat outer (14) for guides in the transverse slot of the plate and an inner (11) for the neck of the crankshaft. The proposed device has a lubrication system through channels in the crankshaft, extending to the outer surface of the crosshead, similar to that with the crank mechanism, in addition, lubrication is done by oil mist generated by the rotation of the crankshaft. In addition, the length of the pistons themselves is reduced due to the lack of a piston skirt and space for the piston pin, there is only room for installation of the piston rings, which reduces the length of the cylinders and, accordingly,

габариты и вес конструкции. Кроме того, ввиду увеличения суммарной длины двух поршней, соединенных вместе, уменьшается боковое давление и износ цилиндров. Также существенным технологическим преимуществом является то, что противоположные цилиндры обрабатываются с одной установки, как и два жестко соединенных поршня. Габариты четырехцилиндрового двигателя практически будут соответствовать габаритам обычного двухцилиндрового.dimensions and weight of the structure. In addition, due to the increase in the total length of the two pistons connected together, the lateral pressure and wear of the cylinders are reduced. Another significant technological advantage is that the opposing cylinders are machined from the same installation, as are the two rigidly connected pistons. The dimensions of the four-cylinder engine will practically correspond to the dimensions of a conventional two-cylinder.

Рациональный двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах, когда при рабочем ходе в одном цилиндре в противоположном происходит сжатие, частично разгружает коленчатый вал.A rational two-way working process in the cylinders, when compression occurs during the working stroke in one cylinder in the opposite, partially unloads the crankshaft.

Взаимно-перпендикулярное расположение цилиндров (5-6 и 7-8) позволяет избегать эффекта верхней мертвой точки (ВМТ): когда при начале рабочего хода в верхней мертвой точке находится один из поршней, у второго перпендикулярного поршня момент силы на коленчатом валу максимален, в результате момент вращения бесшатунного двигателя - величина постоянная. Математически это выглядит так: если момент по одной оси X, а по перпендикулярной Y, то суммарный момент (формула окружности):The mutually perpendicular arrangement of the cylinders (5-6 and 7-8) avoids the top dead center effect (TDC): when one of the pistons is located at the top dead center at the beginning of the working stroke, the second moment of the perpendicular piston has a maximum moment of force on the crankshaft, in As a result, the torque of the rodless motor is constant. Mathematically, it looks like this: if the moment is along one axis X, and along the perpendicular Y, then the total moment (circle formula):

X²+Y²=1X ² + Y ² = 1

Данная конструкция полезной модели может использоваться для всех видов двигателей: бензиновых, дизельных, четырехтактных, двухтактных, четырехцилиндровых, 8 и более цилиндров с использованием обычных систем газораспределения, зажигания, питания, впрыска и других.This design of the utility model can be used for all types of engines: gasoline, diesel, four-stroke, two-stroke, four-cylinder, 8 or more cylinders using conventional gas distribution, ignition, power, injection and others.

Кроме того, система коленвал - крейцкопф, свободно перемещающийся в поперечной прорези пластины, соединяющей два поршня, может использоваться в устройствах, где необходимо преобразовать вращение в поступательное движение: в насосах, компрессорах и т.п.In addition, the crankshaft-crosshead system, which moves freely in the transverse slot of the plate connecting the two pistons, can be used in devices where it is necessary to convert rotation into translational motion: in pumps, compressors, etc.

Предлагаемое устройство бесшатунного поршневого механизма двигателя внутреннего сгорания содержит по два цилиндра (5, 6 и 7, 8) на каждой из перекрещивающихся осей, в каждой паре цилиндров есть по два поршня (1, 2 и 3, 4), жестко соединенных пластиной, имеющей поперечную прорезь с двумя направляющими, по которым свободно скользит крейцкопф (12) с плоскими подшипниками скольжения (вкладышами) (14) для направляющих в поперечной прорези и цилиндрическими подшипниками (вкладышами) скольжения(11) для шейки коленчатого вала (13).The proposed device rodless piston mechanism of an internal combustion engine contains two cylinders (5, 6 and 7, 8) on each of the intersecting axes, in each pair of cylinders there are two pistons (1, 2 and 3, 4), rigidly connected by a plate having a transverse slot with two guides along which the crosshead (12) freely slides with flat sliding bearings (bushings) (14) for guides in the transverse slot and cylindrical sliding bearings (bushings) (11) for the crankshaft journal (13).

Жесткое крепление коленчатого вала в подшипниковых опорах (10), стоящих по обе стороны от пластин, свободное поперечное перемещение крейцкопф без бокового давления, которое принимает на себя давление газовRigid fastening of the crankshaft in bearing bearings (10), standing on both sides of the plates, free lateral movement of the crosshead without lateral pressure, which takes on the gas pressure

смеси перпендикулярного цилиндра, делает механизм высоко надежным и с длительной работоспособностью.mixture of a perpendicular cylinder, makes the mechanism highly reliable and with long-term performance.

При четырехтактном цикле устройство работает следующим образом: когда в 5-ом цилиндре поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ), смесь сжата, начинается рабочий ход (РХ), в 6-м цилиндре начинается сжатие рабочей смеси (СЖ), в 7-м цилиндре - вторая половина выхлопа (ВХ), в 8-м - вторая половина всасывания (ВС).In a four-cycle cycle, the device operates as follows: when the piston is in top dead center (TDC) in the 5th cylinder, the mixture is compressed, the stroke begins (PX), in the 6th cylinder the compression of the working mixture (LF) begins, in 7- m cylinder - the second half of the exhaust (BX), in the 8th - the second half of the suction (BC).

При повороте коленвала на 90 градусов в 7-м и 8-м цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается всасывание (в 7) и сжатие (в 8). В 5-ом и 6-ом цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 5 - рабочий ход, в 6 - сжатие.When the crankshaft rotates 90 degrees in the 7th and 8th cylinders, their cycles end, and absorption (at 7) and compression (at 8) begin. In the 5th and 6th cylinders, the previous cycles will continue: in 5 - the stroke, in 6 - compression.

При повороте коленвала на 180 градусов в 5 и 6 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается выхлоп (в 5) и рабочий ход (в 6). В 7 и 8 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 7 - всасывание, в 8 - сжатие.When the crankshaft is rotated 180 degrees in the 5 and 6 cylinders, their cycles end and the exhaust (at 5) and the stroke (at 6) begin. In the 7th and 8th cylinders, the previous cycles will continue: in 7 - absorption, in 8 - compression.

При повороте коленвала на 270 градусов в 7 и 8 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается сжатие (в 7) и рабочий ход (в 8). В 5 и 6 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 5 - выхлоп, в 6 - рабочий ход.When the crankshaft is rotated 270 degrees in the 7th and 8th cylinders, their cycles end, and compression begins (at 7) and the stroke (at 8). In the 5th and 6th cylinders, the previous cycles will continue: in 5 - the exhaust, in 6 - the working stroke.

При повороте коленвала на 360 градусов в 5 и 6 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается всасывание (в 5) и выхлоп (в 6). В 7 и 8 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 7 - сжатие, в 8 - рабочий ход.When the crankshaft is rotated 360 degrees in 5 and 6 cylinders, their cycles end, and suction (at 5) and exhaust (at 6) begin. In the 7th and 8th cylinders, the previous cycles will continue: in 7 - compression, in 8 - the working stroke.

При повороте коленвала на 450 градусов в 7 и 8 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается рабочий ход (в 7) и выхлоп (в 8). В 5 и 6 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 5 - всасывание и в 6 - выхлоп.When the crankshaft rotates 450 degrees in the 7 and 8 cylinders, their cycles end, and the working stroke (at 7) and exhaust (at 8) begin. In the 5th and 6th cylinders, the previous cycles will continue: in the 5th - suction and in the 6th - exhaust.

При повороте коленвала на 540 градусов в 5 и 6 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается сжатие (в 5) и всасывание (в 6). В 7 и 8 цилиндрах продолжатся их прежние циклы: в 7 - рабочий ход, в 8 - выхлоп.When the crankshaft is rotated 540 degrees in 5 and 6 cylinders, their cycles end, and compression (at 5) and absorption (at 6) begin. In the 7th and 8th cylinders their previous cycles will continue: in 7 - the working stroke, in 8 - the exhaust.

При повороте коленвала на 630 градусов в 7 и 8 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается выхлоп (в 7) и всасывание (в 8). В 5 и 6 цилиндрах продолжатся прежние циклы: в 5 - сжатие, в 6 - всасывание.When the crankshaft rotates 630 degrees in the 7 and 8 cylinders, their cycles end, and exhaust (at 7) and suction (at 8) begin. In the 5th and 6th cylinders, the previous cycles will continue: in 5 - compression, in 6 - absorption.

При повороте коленвала на 720 градусов в 5 и 6 цилиндрах заканчиваются их циклы, и начинается рабочий ход (в 5) и сжатие (в 6). В 7 и 8 продолжатся прежние циклы: в 7 - выхлоп, в 8 - всасывание.When the crankshaft rotates 720 degrees in the 5th and 6th cylinders, their cycles end, and the working stroke (at 5) and compression (at 6) begin. At 7 and 8, the previous cycles will continue: at 7 - exhaust, at 8 - suction.

Анализ циклов четырехтактного двигателя показывает, что на два оборота коленвала, четверть оборота отсутствует рабочий ход. Это можно устранить, изготовив восьмицилиндровый двигатель, который практически уложится в габариты четырехцилиндрового двигателя.Analysis of the cycles of a four-stroke engine shows that there is no working stroke for two turns of the crankshaft, a quarter of a turn. This can be eliminated by making an eight-cylinder engine, which will practically fit into the dimensions of a four-cylinder engine.

Claims

Rodless piston internal combustion engine, comprising two cylinders on each of the intersecting axes; in each pair of cylinders there are two pistons rigidly connected by a plate having a transverse slot with two guides along which a crosshead slides with a bearing for the crankshaft journal; a crankshaft rigidly mounted in bearing bearings located on both sides of the plates.