RU2096638C1

RU2096638C1 - Piston-type machine (options)

Info

Publication number: RU2096638C1
Application number: RU94022681A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Стародетко; Георгий Евгеньевич Стародетко; Константин Евгеньевич Стародетко; Геннадий Алексеевич Дедунович; Симанд Симон
Original assignee: Евгений Александрович Стародетко
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1997-11-20
Also published as: RU94022681A

Abstract

FIELD: mechanisms for energy-converting plants. SUBSTANCE: piston-type machine has case-mounted vertical and horizontal cylinders and pistons whose number is a multiple of two. Mechanism converting reciprocating motion has four symmetrically arranged crankshafts with gear wheels. Pistons of vertical and horizontal cylinders are joined through pair of connecting rods to two crankshafts whose gear wheels are is mesh. Second option of machine is proposed. EFFECT: improved design. 4 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к механизмам энергопреобразующих установок, в которых возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах преобразуют во вращательное движение вала (валов), например механизмам двигателей внутреннего сгорания (ДВС), поршневых компрессоров, и касается проблемы уравновешивания действующих в поршневой машине сил. Уравновешивание поршневой машины, например ДВС, осуществляют одним из следующих способов (см. Железко Б. Е. Термодинамика, теплопередача и ДВС, Минск, Высшая школа, 1985, стр. 159-163):
конструктивной схемой двигателя, т.е. таким расположением цилиндров и кривошипов на коленчатом валу, чтобы силы инерции и их моменты взаимно уравновешивались при соблюдении условия равномерности чередования одноименных процессов в цилиндрах;
введением дополнительных движущихся масс (противовесов), силы инерции (моменты) которых в любой момент времени равны и направлены противоположно уравновешиваемым силам (момента).The invention relates to mechanisms of energy-converting installations, in which the reciprocating movement of the pistons in the cylinders is converted into rotational movement of the shaft (s), for example, the mechanisms of internal combustion engines (ICE), reciprocating compressors, and relates to the problem of balancing the forces acting in the piston machine. Balancing a piston engine, for example, ICE, is carried out in one of the following ways (see B. Zhelezko, Thermodynamics, Heat Transfer, and ICE, Minsk, Vysshaya Shkola, 1985, p. 159-163):
engine design, i.e. such an arrangement of cylinders and cranks on the crankshaft so that the inertia forces and their moments are mutually balanced under the condition of uniformity of alternation of the processes of the same name in the cylinders;
the introduction of additional moving masses (counterweights), the inertia forces (moments) of which at any moment of time are equal and directed opposite to the balanced forces (moment).

Действительная уравновешенность двигателя может существенно отличаться от теоретической. Для приближения действительной уравновешенности к теоретической в производстве двигателей предусматривают ряд конструктивно технологических мер: коленчатый вал делают как можно более жестким; возвратно-поступательно движущиеся детали при сборке подбирают комплектно с наименьшей разницей масс комплектов в разных цилиндрах одного двигателя; устанавливают минимальные допустимые отклонения на размеры деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ); вращательно движущиеся детали тщательно балансируют, а коленчатые валы и маховики подвергают динамической балансировке. Actual engine balance may differ significantly from theoretical. To approximate the actual balance with the theoretical one in the production of engines, a number of structurally technological measures are envisaged: the crankshaft is made as stiff as possible; reciprocating moving parts during assembly are selected complete with the smallest mass difference of sets in different cylinders of the same engine; set the minimum permissible deviations on the dimensions of the parts of the crank mechanism (KShM); rotationally moving parts carefully balance, and crankshafts and flywheels undergo dynamic balancing.

Классическим примером такого технического решения является вертолетный двигатель АШ-82В (см. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. / Учебник под ред. А.С. Орлина и М. Г. Круглова, М. Машиностроение, 1990, стр. 273-277, рис. 190). В этом звездообразном двухрядном четырнадцатицилиндровом двигателе для его уравновешивания коленвал выполнен с двумя противовесами и установленными на них гасителями крутильных колебаний маятникового типа. Для уравновешивания сил инерции 2-го порядка и их моментов по длине коренных шеек смонтированы балансиры. Однако стоимость изготовления такого двигателя очень высока, а технология и требования к точности изготовления практически недоступны для гражданских предприятий. A classic example of such a technical solution is the ASh-82V helicopter engine (see Internal Combustion Engines: Design and Operation of Piston and Combined Engines. / Textbook edited by A.S. Orlin and M.G. Kruglov, M. Mechanical Engineering, 1990, p. 273-277, Fig. 190). In this star-shaped two-row fourteen-cylinder engine, for balancing it, the crankshaft is made with two counterweights and pendulum-type torsional vibration dampers mounted on them. To balance the forces of inertia of the 2nd order and their moments along the length of the root necks, balancers are mounted. However, the cost of manufacturing such an engine is very high, and the technology and requirements for manufacturing accuracy are practically inaccessible to civilian enterprises.

Основным недостатком КШМ является наличие боковых нагрузок, прижимающих поршень к стенкам цилиндра и вызывающих его неравномерный износ и значительные потери механической энергии на преодоление сил трения. Стремление исключить эти силы или уменьшить их влияние привели к созданию крейцкопфного механизма. В последнем боковые нагрузки передаются на ползун, работающий в более благоприятных условиях, чем в КШМ. Такое же решение используется в механизме С.С.Баландина, который принципиально отличается от КШМ наличием коленчатого вала, совершающего эпициклическое движение, что позволяет резко уменьшить габариты двигателя (см. Преобразующие механизмы поршневых машин, изд. ИПНДМаг АН БССР, авт. Альферович В.В. Митин Б.Е. Минск, 1985, стр. 28-33). The main drawback of KShM is the presence of lateral loads, which press the piston against the cylinder walls and cause its uneven wear and significant loss of mechanical energy to overcome friction forces. The desire to eliminate these forces or reduce their influence led to the creation of a crosshead mechanism. In the latter, lateral loads are transferred to a slider operating in more favorable conditions than in a cshm. The same solution is used in the mechanism of S.S. Balandin, which is fundamentally different from the crankshaft by the presence of a crankshaft that performs an epicyclic motion, which can dramatically reduce the size of the engine (see Transforming mechanisms of reciprocating machines, published by IPNDMag AN BSSR, auth. Alferovich V. V. Mitin B.E. Minsk, 1985, p. 28-33).

Однако и это решение имеет существенный недостаток, заключающийся в плохой компонуемости двигателя, а также в неблагоприятном сочетании силовых и скоростных факторов на ползунах, что не позволяет достичь нужной частоты вращения. However, this solution also has a significant drawback, which consists in poor composability of the engine, as well as in an unfavorable combination of power and speed factors on the sliders, which does not allow reaching the desired speed.

Известны также зубчато-рычажные механизмы для преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, в которых отсутствуют боковые усилия на поршне, например т.н. "римская передача" (см. Крайнев А.Ф. Словарь справочник по механизмам, М. Машиностроение, 1981, стр. 102, сх.е.), представляющая собой семизвенный механизм с поршнем, приводимый через суммирующий рычаг и шатуны от двух зацепляющихся между собой колес. На основе этого механизма создано множество технических решений по поршневым двигателям внутреннего сгорания, в которых поршневая группа полностью разгружена от боковых сил, например, поршневой ДВС по авт. свид. СССР N 1693272, F 02 B 75/32, 1988. Gear-link mechanisms are also known for converting rotational motion into reciprocating, in which there are no lateral forces on the piston, for example, the so-called "Roman gear" (see Krainev AF Dictionary dictionary of mechanisms, M. Mashinostroenie, 1981, p. 102, schematic diagram), which is a seven-link mechanism with a piston driven through a summing lever and connecting rods from two engaging between a wheel. Based on this mechanism, many technical solutions have been created for reciprocating internal combustion engines in which the piston group is completely unloaded from lateral forces, for example, a piston ICE according to ed. testimonial. USSR N 1693272, F 02 B 75/32, 1988.

Однако эти технические решения также имеют существенные недостатки, заключающиеся в высокой стоимости изготовления из-за большого количества деталей, неблагоприятного сочетания силовых и скоростных факторов в элементах механизма. However, these technical solutions also have significant drawbacks consisting in the high cost of manufacture due to the large number of parts, an unfavorable combination of power and speed factors in the elements of the mechanism.

Кроме проблемы боковых нагрузок на поршень, для ДВС важнейшей является проблема уравновешивания механизмов. Задача уравновешивания заключается в том, чтобы силы инерции замыкались внутри остова двигателя и не передавались на опоры. Задача уравновешивания достаточно хорошо решается в оппозитных ДВС за счет симметричного встречного движения поршней, но при этом момент инерционных сил от шатунов не будет сбалансирован (см. например, механизм, приведенный в справочнике "Механизмы" под ред. Кожевникова С.Н. М. Машиностроение, 1976, стр. 78-81, рис. 2.77. In addition to the problem of lateral loads on the piston, for ICE the most important is the problem of balancing mechanisms. The task of balancing is to ensure that the inertia forces are closed inside the skeleton of the engine and not transmitted to the supports. The balancing problem is quite well solved in opposed internal combustion engines due to the symmetrical counter-movement of the pistons, but the moment of inertial forces from the connecting rods will not be balanced (see, for example, the mechanism given in the reference book Mechanisms, edited by S. M. Kozhevnikov, Mechanical Engineering , 1976, pp. 78-81, Fig. 2.77.

Однако идеально уравновешенные механизмы с поступательным движением штоков поршней не известны, а известный механизм имеет неуравновешенность инерционных масс передаточных звеньев, плохо компонуется в двигателе, обладает увеличенными габаритами, что явилось причиной поиска новых проектных решений для главного механизма ДВС. However, perfectly balanced mechanisms with the translational movement of the piston rods are not known, and the known mechanism has an unbalanced inertial mass of the transmission links, is poorly assembled in the engine, and has increased dimensions, which was the reason for the search for new design solutions for the main engine ICE.

Из известных технических решений наиболее близким объектом к заявляемому по совокупности существенных признаков является безвибрационный поршневой механизм по заявке PCT/JP83/00061, опубликованной 15.09.83 WO 83/03125, принятый авторами за прототип. Of the known technical solutions, the closest object to the claimed one on the set of essential features is a vibration-free piston mechanism according to the application PCT / JP83 / 00061, published September 15, 83 WO 83/03125, adopted by the authors for the prototype.

Принятый за прототип объект представляет собой поршневую машину, содержащую установленные в корпусе вертикальные цилиндры, поршни, количество которых кратно двум, и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения, включающий четыре симметрично расположенных коленчатых вала с зубчатыми колесами и пары шатунов, посредством которых поршни соединены с двумя коленчатыми валами, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении. The object adopted for the prototype is a piston machine containing vertical cylinders installed in the housing, pistons, the number of which is a multiple of two, and a mechanism for converting reciprocating motion, including four symmetrically located crankshafts with gears and pairs of rods, through which the pistons are connected to two crankshafts whose gears are meshed.

Принятая за прототип машина позволяет получить приемлемую уравновешенность действующих в поршневом ДВС с опозитными поршнями сил. The machine adopted as a prototype allows obtaining an acceptable balance of forces acting in a piston ICE with oposite pistons.

Однако прототип имеет существенный недостаток, заключающийся в недоступности фирменной технологии, обеспечивающей его техническую характеристику. Кроме того, технологические возможности известного технического решения недостаточны, что не позволяет создать поршневые машины с большим, чем две пары, количеством поршней, размещенных в одной плоскости, а также снизить механические потери и получить возможность использовать цилиндры с поршнями двухстороннего действия. However, the prototype has a significant drawback, which consists in the inaccessibility of proprietary technology that ensures its technical characteristics. In addition, the technological capabilities of the known technical solution are insufficient, which does not allow creating piston machines with more than two pairs of pistons placed in one plane, as well as reducing mechanical losses and being able to use cylinders with double-acting pistons.

Для второго варианта заявляемой поршневой машины наиболее близким по количеству существенных признаков техническим решением является уравновешенный поршневой двигатель, схема которого приведена в справочнике "Механизмы" под ред. Кожевникова С.Н. М. Машиностроение, 1976, стр. 78-81, рис. 2.78, принятый авторами за прототип второго варианта поршневой машины. For the second version of the inventive piston machine, the closest technical solution in terms of the number of essential features is a balanced piston engine, a diagram of which is given in the "Mechanisms" reference book, under the editorship of Kozhevnikova S.N. M. Engineering, 1976, pp. 78-81, Fig. 2.78, adopted by the authors for the prototype of the second version of the piston machine.

Известная из этого источника поршневая машина содержит установленные в корпусе цилиндры, поршни, количество которых кратно двум, и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащий шатуны и коленчатые валы, снабженные коренными и шатунными шейками, а также находящиеся во внешнем зацеплении одинаковые цилиндрические зубчатые колеса, количество которых равно двум, при этом оси колес размещены в первой плоскости, а поршневая машина выполнена симметричной относительно второй плоскости, перпендикулярной первой и размещенной параллельно осям зубчатых колес посередине между ними. A piston machine known from this source contains cylinders installed in the housing, pistons, the number of which is a multiple of two, and a mechanism for converting reciprocating motion into rotational motion, containing connecting rods and crankshafts equipped with main and connecting rod journals, as well as identical cylindrical gears gears, the number of which is equal to two, while the axles of the wheels are placed in the first plane, and the piston machine is symmetrical with respect to the second plane, perpendicular lar first and disposed parallel to the axes of the gears in the middle between them.

Это техническое решение обеспечивает сравнительно хорошую эффективность преобразования подводимой к ней энергии и позволяет получить приемлемую уравновешенность действующих сил (см. двигатель фирмы Филипс в приведенном выше учебнике под ред. А.С. Орлина и М.Г.Круглова, стр. 277-279, рис. 191). This technical solution provides a relatively good conversion efficiency of the energy supplied to it and allows an acceptable balance of the acting forces to be obtained (see the Philips engine in the above textbook edited by A.S. Orlin and M.G. Kruglov, pp. 277-279, fig. 191).

Однако принятая за прототип второго варианта машина имеет существенный недостаток, заключающийся в высокой стоимости изготовления, и недостаточную уравновешенность, что повышает механические потери и снижает надежность работы. However, the machine adopted for the prototype of the second embodiment has a significant drawback, which is the high cost of manufacture, and insufficient balance, which increases mechanical losses and reduces the reliability of the work.

Задачей предлагаемого изобретения является создание поршневой машины с идеальной статической и динамической уравновешенностью при доступной для промышленности Республики Беларусь технологии изготовления и приемлемой стоимости, обеспечивающей конкурентоспособность на внутреннем и международном рынках. The objective of the invention is the creation of a piston machine with perfect static and dynamic balance with the manufacturing technology available to the industry of the Republic of Belarus and an acceptable cost that ensures competitiveness in the domestic and international markets.

В результате решения этой задачи достигнут новый технический результат, заключающийся в создании главного механизма ДВС, который выполняет следующие требования к механизму:
отсутствие боковых нагрузок на поршень;
высокий механический КПД;
идеальная статистическая и динамическая уравновешенность;
отсутствие ползунов;
обеспечение прямолинейного возвратно-поступательного движения с помощью шарниров.As a result of solving this problem, a new technical result was achieved, consisting in the creation of the main ICE mechanism, which fulfills the following requirements for the mechanism:
lack of lateral loads on the piston;
high mechanical efficiency;
perfect statistical and dynamic balance;
lack of sliders;
providing rectilinear reciprocating motion using hinges.

Кроме того, задачей изобретения является улучшение стоимостных и массогабаритных характеристик поршневых машин (двигателей и компрессоров), создаваемых на основе заявляемого механизма. In addition, the objective of the invention is to improve the cost and weight and size characteristics of piston machines (engines and compressors), created on the basis of the claimed mechanism.

Данный технический результат достигнут тем, что поршневая машина, содержащая установленные в корпусе вертикальные цилиндры, поршни, количество которых кратно двум, и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения, включающий четыре симметрично расположенных коленчатых вала с зубчатыми колесами и пары шатунов, посредством которых поршни соединены с двумя коленчатыми валами, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении, согласно изобретению, она снабжена горизонтальными цилиндрами, поршни которых через пары шатунов соединены с двумя коленчатыми валами, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении, при этом поршни снабжены штоками, с которыми соединены шатуны, кроме того, поршневая машина может быть выполнена с возможностью организации двухстороннего рабочего процесса. This technical result is achieved in that a piston machine comprising vertical cylinders installed in the housing, pistons, the number of which is a multiple of two, and a mechanism for converting reciprocating motion, including four symmetrically located crankshafts with gears and pairs of rods, through which the pistons are connected with two crankshafts, gears of which are meshed, according to the invention, it is equipped with horizontal cylinders, the pistons of which through pairs of connecting rods connected to two crankshafts, the gears of which are meshed, while the pistons are equipped with rods with which the connecting rods are connected, in addition, the piston machine can be arranged to organize a two-sided working process.

Для варианта исполнения, в случае только двух находящихся в зацеплении зубчатых колес, в поршневой машине, содержащей установленные в корпусе цилиндры, поршни, количество которых кратно двум, и механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, содержащий шатуны и коленчатые валы, снабженные коренными и шатунными шейками, а также находящиеся во внешнем зацеплении одинаковые цилиндрические зубчатые колеса, количество которых равно двум, при этом оси колес размещены в первой плоскости, а поршневая машина выполнена симметричной относительно второй плоскости, перпендикулярной первой и размещенной параллельно осям зубчатых колес посередине между ними, согласно изобретению, механизм машины, включающий поршни, шатуны и коленчатые валы в пределах шатунных шеек выполнен симметричным относительно центра, размещенного на линии пересечения первой и второй плоскости посередине между осями цилиндров. For the embodiment, in the case of only two engaged gears, in a reciprocating machine containing cylinders installed in the housing, pistons, the number of which is a multiple of two, and a mechanism for converting reciprocating motion into rotational motion, containing connecting rods and crankshafts provided with and connecting rod journals, as well as identical cylindrical gears located in external gearing, the number of which is equal to two, while the axles of the wheels are placed in the first plane, and the piston machine according to the invention, the machine mechanism, including pistons, connecting rods and crankshafts within the crank pins, is symmetrical about the center located on the intersection line of the first and second plane in the middle between axes of cylinders.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что она снабжена горизонтальными цилиндрами, поршни которых через пары шатунов соединены с двумя коленчатыми валами, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении. A distinctive feature of the claimed invention is that it is equipped with horizontal cylinders, the pistons of which are connected through two connecting rods to two crankshafts whose gears are engaged.

Это позволяет дополнительно симметрично выполнить и шатуны, т.е. каждое зубчатое колесо соединить с двумя шатунами, и число шатунов при этом в два раза больше числа колес. При использовании симметричности шатунов появляется возможность снизить механические потери в узлах преобразующего механизма, т. к. передаваемые через шатуны силы уравновешиваются в шарнирах. Кроме того, удвоенное количество шатунов позволяет установить с теми же зубчатыми колесами удвоенное количество поршней. Например, в приведенной на фиг. 5 описания прототипа машине может быть установлено 8 поршней при том же зубчатом механизме. This allows additionally symmetrical execution of the connecting rods, i.e. each gear wheel is connected to two connecting rods, and the number of connecting rods is twice the number of wheels. When using the symmetry of the connecting rods, it becomes possible to reduce mechanical losses in the nodes of the transforming mechanism, since the forces transmitted through the connecting rods are balanced in the hinges. In addition, a doubled number of connecting rods allows you to set double the number of pistons with the same gears. For example, in FIG. 5 of the description of the prototype machine, 8 pistons can be installed with the same gear mechanism.

Задачу уравновешенности машины можно решить как используя штоки, так и путем непосредственного соединения шатунов с поршнем. Однако при снабжении поршня штоком, что является вторым отличительным признаком заявляемого изобретения, уменьшается нагрузка на поршневые кольца, что повышает надежность работы, и появляются дополнительно технологические возможности создать машину с цилиндрами двойного действия, что улучшает показатели машины по удельным характеристикам мощности. The balance of the machine can be solved both using rods and by directly connecting the connecting rods to the piston. However, when supplying the piston with a rod, which is the second distinguishing feature of the claimed invention, the load on the piston rings is reduced, which increases the reliability of operation, and there are additional technological capabilities to create a machine with double-acting cylinders, which improves the performance of the machine in terms of specific power characteristics.

При этом появляется возможность выполнить поршневую машину с двухсторонним рабочим процессом в цилиндрах, что является третьим отличительным признаком изобретения. При двухстороннем рабочем процессе повышаются показатели удельной мощности, увеличивается экономичность. In this case, it becomes possible to perform a reciprocating machine with a two-sided working process in cylinders, which is the third distinguishing feature of the invention. With a bilateral working process, the specific power indicators increase, the profitability increases.

Поставленные требования при создании главного механизма ДВС удалось выполнить с помощью принципа симметрии механизма. В случае, когда количество пар находящихся в зацеплении зубчатых колес равно двум, отличительными признаками является то, что механизм машины, включающий поршни, шатуны и коленчатые валы в пределах шатунных шеек, выполнен симметричным относительно центра, размещенного на линии пересечения первой и второй плоскости посередине между осями цилиндров. It was possible to fulfill the set requirements when creating the main engine ICE using the principle of symmetry of the mechanism. In the case where the number of pairs of engaged gears is equal to two, the distinguishing features are that the machine mechanism, including pistons, connecting rods and crankshafts within the crank pins, is symmetrical about the center located on the intersection line of the first and second plane in the middle between axes of cylinders.

Именно симметрия и приводит к получению возможности за счет встречного движения оппозитных поршней обеспечить равенство нулю геометрической суммы перемещения всех поршней за любой промежуток времени, что является необходимым и достаточным условием для достижения идеального уравновешивания. It is precisely the symmetry that leads to the possibility, due to the oncoming movement of the opposed pistons, to ensure that the geometric sum of the displacement of all the pistons is equal to zero for any period of time, which is a necessary and sufficient condition for achieving perfect balance.

Основу симметрии создают два зубчатых колеса равных диаметров, находящихся во внешнем зацеплении. В модели механизма (расчетная схема которого представлена на фиг. 2) плоскость, проходящая через центры колес L и R, является плоскостью симметрии. The basis of symmetry is created by two gear wheels of equal diameters, which are in external gearing. In the model of the mechanism (the calculated diagram of which is shown in Fig. 2), the plane passing through the centers of the wheels L and R is a plane of symmetry.

Осью симметрии является перпендикуляр к линии центров, проходящий через точку касания делительных окружностей колес. Две точки, симметричные относительно оси, могут быть базовыми точками механизма, обеспечивающего прямолинейное движение исполнительного звена. Таким образом получен симметричный кривошипно-шатунный механизм (СКШМ). The axis of symmetry is the perpendicular to the line of centers passing through the point of contact of the pitch circles of the wheels. Two points that are symmetrical about the axis can be the base points of the mechanism that provides the linear movement of the actuator. Thus, a symmetrical crank mechanism (SCSM) is obtained.

В случае одной пары находящихся в зацеплении зубчатых колес для обеспечения движения шатунов они должны быть разнесены вдоль оси коленчатых валов, что приводит к появлению неуравновешиваемого крутящего момента, действующего в плоскости оси коленчатого вала. Геометрическая сумма перемещений всех поршней за любой промежуток времени при этом равна нулю, но не исключает инерционный момент, действующий на опоры. In the case of one pair of engaged gears, to ensure the connecting rods are moving, they must be spaced along the axis of the crankshafts, resulting in an unbalanced torque acting in the plane of the axis of the crankshaft. The geometric sum of the displacements of all the pistons for any period of time is equal to zero, but does not exclude the inertial moment acting on the bearings.

Таким образом, приведенные отличительные особенности заявляемого изобретения в сравнении с прототипом позволяют получить поршневые машины с идеальной или близкой к идеальной статической и динамической уравновешенностью при доступной для промышленности Республики Беларусь технологии изготовления и приемлемой стоимости, обеспечивающей конкурентоспособность на внутреннем и международном рынках. Thus, the above distinctive features of the claimed invention in comparison with the prototype make it possible to obtain reciprocating machines with ideal or close to ideal static and dynamic balance with the manufacturing technology available to the industry of the Republic of Belarus and reasonable cost, which ensures competitiveness in the domestic and international markets.

На фиг. 1 представлен упрощенный двухцилиндровый двухтактный ДВС, разработанный по основному варианту заявляемого изобретения, с двумя парами зубчатых колес и с двумя цилиндрами. Римскими цифрами 1 обозначены первые плоскости, которые проходят через оси находящихся в зацеплении зубчатых колес, цифрами 11 плоскости симметрии, 0 ось симметрии; на фиг.2 изображена расчетная схема симметричного кривошипно-шатунного механизма, при этом сплошными утолщенными линиями показано положение пары шатунов, соединяющих шток одного из поршней с двумя кривошипами коленчатых валов, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении, а пунктирными линиями положение шатунов другого, размещенного симметрично первому поршню при соединении второго поршня с теми же коленчатыми валами; на фиг. 3 изображен заявляемый полностью уравновешенный механизм из четырех симметрично расположенных коленчатых валов при соединении каждого штока с коленчатыми валами парой шатунов, один из которых соединен с первым, а другой со вторым валом, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении. При этом вертикальные поршни изображены в верхней мертвой точке, а горизонтальные в нижней; на фиг.4 изображена схема механизма машины, приятой за прототип; на фиг.5 представлена фотография действующего образца двигателя внутреннего сгорания, созданного в соответствии с заявляемым изобретением; на фиг.6 изображен упрощенный двухцилиндровый ДВС, разработанный по варианту заявляемого изобретения, с одной парой зубчатых колес и с двумя цилиндрами. Обозначения на фиг.6 сохранены такие же, как и на фиг.1, дополнительно обозначена 0₁ линия пересечения первой и второй плоскостей, Ц центр симметрии.In FIG. 1 presents a simplified two-cylinder two-stroke internal combustion engine, developed according to the main embodiment of the claimed invention, with two pairs of gears and with two cylinders. Roman numerals 1 indicate the first planes that pass through the axes of the gears meshed, numerals 11 of the plane of symmetry, 0 axis of symmetry; figure 2 shows the design diagram of a symmetrical crank mechanism, while solid thickened lines show the position of a pair of connecting rods connecting the rod of one of the pistons with two cranks of crankshafts, the gears of which are engaged, and the dashed lines of the position of the connecting rods of the other, placed symmetrically the first piston when connecting the second piston to the same crankshafts; in FIG. 3 depicts the claimed fully balanced mechanism of four symmetrically located crankshafts when connecting each rod to the crankshafts with a pair of connecting rods, one of which is connected to the first and the other to the second shaft, the gears of which are engaged. In this case, vertical pistons are depicted at top dead center, and horizontal at bottom; figure 4 shows a diagram of the mechanism of the machine, pleasant for the prototype; figure 5 presents a photograph of a current sample of an internal combustion engine created in accordance with the claimed invention; figure 6 shows a simplified two-cylinder internal combustion engine, developed according to a variant of the claimed invention, with one pair of gears and with two cylinders. The designations in Fig. 6 are kept the same as in Fig. 1, in addition, 0 _{1 the} line of intersection of the first and second planes, C is the center of symmetry.

Поршневая машина содержит установленные в корпусе 1 цилиндры 2, поршни 3 и коленчатые валы 4, снабженные находящимися во внешнем зацеплении зубчатыми колесами 5, шатунными 6 (для первого варианта она представляет собой цапфу, установленную на зубчатом колесе) и коренными 7 (для первого варианта этой позицией обозначен опорный подшипник вала) шейками. При этом количество цилиндров, поршней, зубчатых колес кратно двум. Каждый поршень снабжен штоком 8, соединенным с шатунными шейками 6 коленчатых валов парой шатунов 9, один из которых соединен с первым зубчатым колесом (коленчатым валом), а другой со вторым. Зубчатые колеса находятся в зацеплении с образованием замкнутого потока мощности, размещены в виде осесимметричной конфигурации. Механизм машины (поршни 3, штоки 8, шатуны 9, зубчатые колеса 5 в сборе) выполнен симметричным относительно оси конфигурации, по которой размещены зубчатые колеса. The piston machine contains cylinders 2 installed in the housing 1, pistons 3 and crankshafts 4, equipped with gears 5 that are in the external gearing, connecting rods 6 (for the first variant, it is an axle mounted on the gear wheel) and main 7 (for the first variant of this the position indicates the shaft support bearing) by the necks. The number of cylinders, pistons, gears is a multiple of two. Each piston is equipped with a rod 8 connected to the connecting rod journals 6 of the crankshafts by a pair of connecting rods 9, one of which is connected to the first gear wheel (crankshaft), and the other to the second. The gears are meshed with the formation of a closed power flow, placed in the form of an axisymmetric configuration. The mechanism of the machine (pistons 3, rods 8, connecting rods 9, gears 5 assembly) is made symmetrical about the configuration axis along which the gears are placed.

В случае одной пары зубчатых колес (см. фиг.6) механизм симметричен относительно центра Ц, размещенного на линии 0₁ пересечения первой и второй плоскости посередине между осями цилиндров. При этом механизм машины (поршни 3, штоки 8, шатуны 9, коленчатые валы 4 и зубчатые колеса 5 в сборе) выполнен симметричным относительно плоскости II-II, перпендикулярной к плоскости I-I, в которой размещены оси находящихся в зацеплении зубчатых колес, и проходящей через точку касания делительных окружностей этих колес.In the case of one pair of gears (see Fig. 6), the mechanism is symmetrical with respect to the center C, located on the line 0 _{1 of the} intersection of the first and second planes in the middle between the axes of the cylinders. In this case, the machine mechanism (pistons 3, rods 8, connecting rods 9, crankshafts 4 and gears 5 assembled) is made symmetrical with respect to plane II-II, perpendicular to plane II, in which the axes of the gears being engaged, and passing through touch point of pitch circles of these wheels.

Из симметрии механизма относительно оси следует, что при любом положении любого из поршней ему будет в точности соответствовать положение другого симметричного поршня, т. е. за любой промежуток времени геометрическая сумма перемещений этих поршней будет равна нулю. From the symmetry of the mechanism relative to the axis, it follows that for any position of any of the pistons, the position of another symmetric piston will exactly correspond to it, i.e., for any period of time the geometric sum of the displacements of these pistons will be zero.

Для подачи воздушно топливной смеси цилиндры оборудованы патрубками 10, а также каналами продувки 11 и патрубком 12 для выхлопа отработанных газов. Корпус оборудован опорами 13. To supply the air-fuel mixture, the cylinders are equipped with nozzles 10, as well as purge channels 11 and nozzle 12 for exhaust exhaust. The housing is equipped with supports 13.

Заявляемая поршневая машина работает следующим образом. The inventive piston machine operates as follows.

На фиг.1 поршень 3 изображен в верхней мертвой точке (ВМТ). Работу машины рассмотрим на его примере. При движении вниз (к оси симметрии) обратный клапан на линии подачи топливно воздушной смеси (на фиг.1 не показано) закрывается и в подпоршневой полости происходит сжатие газа. После открытия верхней кромкой поршня 3 отверстий выхлопного патрубка 12 надпоршневая полость соединяется с атмосферой, следом открываются отверстия каналов 11 и происходит продувка надпоршневой полости и заполнение ее свежим зарядом топливо- воздушной смеси - сжатым в подпоршневой полости газом. При этом поршень 3 проходит нижнюю мертвую точку (НМТ), движется вверх и закрывает отверстия каналов 11 и патрубка 12. В подпоршневой полости начинает создаваться разрежение, а в надпоршневой полости происходит сжатие заряда топливо-воздушной смеси. In figure 1, the piston 3 is depicted at top dead center (TDC). We will consider the operation of the machine using its example. When moving down (to the axis of symmetry), the check valve on the supply line of the fuel-air mixture (not shown in Fig. 1) closes and gas compression occurs in the sub-piston cavity. After the top of the piston 3 opens the openings of the exhaust pipe 12, the supra-piston cavity is connected to the atmosphere, then the openings of the channels 11 open and the supra-piston cavity is purged and filled with a fresh charge of the air-fuel mixture — compressed gas in the sub-piston cavity. In this case, the piston 3 passes the bottom dead center (BDC), moves upward and closes the openings of the channels 11 and the nozzle 12. A vacuum begins to form in the sub-piston cavity, and the charge of the fuel-air mixture compresses in the supra-piston cavity.

После открытия нижней кромкой поршня 3 отверстий патрубка 10 под действием созданного в подпоршневой полости разрежения обратный клапан на линии подачи открывается, и подпоршневая полость заполняется свежим зарядом топливо-воздушной смеси. При адиабатическом сжатии газа в надпоршневой полости температура его повышается и происходит самовоспламенение топливо-воздушной смеси. В это время поршень 3 проходит ВМТ и движется вниз, передавая энергию горячих продуктов сгорания через механизм двигателя. Затем цикл, описанный выше, повторяется. After the lower edge of the piston opens 3 holes of the nozzle 10 under the action of the vacuum created in the sub-piston cavity, the check valve on the supply line opens, and the piston cavity is filled with a fresh charge of the fuel-air mixture. With adiabatic compression of the gas in the supra-piston cavity, its temperature rises and self-ignition of the fuel-air mixture occurs. At this time, the piston 3 passes TDC and moves down, transmitting the energy of the hot combustion products through the engine mechanism. Then the cycle described above is repeated.

Энергия движимого горячими газами поршня 3 передается через шток 6 на пару шатунов 9, которые, воздействуя на шатунные шейки 6, вращают зубчатые колеса 5, выполняющие функцию кривошипа, и с ними вместе вращаются коленчатые валы 4, установленные на коренных шейках 7. Зубчатые колеса 5 установлены на валах 4 консольно со стороны шатунов 9, и валы 4 не препятствуют движению шатунов (шатунные 6 и коренные 7 шейки коленчатого вала 4 размещены по разные стороны зубчатого колеса 5). The energy of the piston 3 driven by hot gases is transmitted through the rod 6 to a pair of connecting rods 9, which, acting on the crankpins 6, rotate the gears 5 that perform the function of a crank, and with them the crankshafts 4 mounted on the main journals 7. Rotate the gears 5 mounted on the shafts 4 cantilever from the side of the connecting rods 9, and the shafts 4 do not interfere with the movement of the connecting rods (connecting rod 6 and the main 7 neck of the crankshaft 4 are placed on opposite sides of the gear 5).

Благодаря симметричности пары шатунов 9 отсутствуют также боковые силы на поршне 3 и штоке 8, что повышает надежность работы двигателя. Due to the symmetry of the pair of connecting rods 9 there are also no lateral forces on the piston 3 and rod 8, which increases the reliability of the engine.

На фиг.2 изображена расчетная схема СКШМ. Исходными данными для расчета механизма является ход поршня S и углы наклона β₁ и β₂ кривошипа в мертвых точках, где оси шатунов проходят через центры вращения кривошипов L и R.Figure 2 shows the design scheme of the CMS. The initial data for calculating the mechanism is the piston stroke S and the slope angles β ₁ and β _{2 of the} crank at dead points, where the connecting rod axes pass through the centers of rotation of the cranks L and R.

Радиус кривошипа r зависит от хода поршня S и углов β₁ и β₂. При этом S играет роль масштабного множителя, а углы β₁ и β₂ определяют соотношения между размерами звеньев. Предварительный анализ показывает, что β₁≅ 70^°, β₂≥ 25^°.. При S 100 мм, β₁= 70^°, β₂= 25^° получаем механизм со следующими значениями параметров:
k₁ tg β₁ 2,747; k₂ tg β₂ 0,466;
X_L 120,44; Y_L 56,16;
P_DL 59,77; P_OL 132,89;
P_OC 96,33; r 36,56;
λ r/l 0,380; l 96,33;
e Y_L/l 0,583.The radius of the crank r depends on the piston stroke S and angles β ₁ and β ₂ . In this case, S plays the role of a scale factor, and the angles β ₁ and β ₂ determine the relationship between the sizes of the links. A preliminary analysis shows that β ₁ ≅ 70 ^° , β ₂ ≥ 25 ^° .. At S 100 mm, β ₁ = 70 ^° , β ₂ = 25 ^° we get a mechanism with the following parameter values:
k ₁ tg β ₁ 2,747; k ₂ tg β ₂ 0.466;
X _L 120.44; Y _L 56.16;
P _DL 59.77; P _OL 132.89;
P _OC 96.33; r 36.56;
λ r / l 0.380; l 96.33;
e Y _L / l 0.583.

Осуществимость СКШМ зависит от минимального расстояния между центрами шатунных шеек. Чем меньше это расстояние, тем компактнее механизм. При недостаточности расстояния следует увеличить угол b₁. При этом r уменьшится, а расстояние между центрами вырастет.The feasibility of the SCHM depends on the minimum distance between the centers of the connecting rod journals. The smaller this distance, the more compact the mechanism. If the distance is insufficient, the angle b ₁ should be increased. In this case, r decreases, and the distance between the centers grows.

Геометрическое соотношение в СКШМ соответствуют соотношениям:
x = rcosΦ+x_L, y = rsinΦ+y_L.
где X_L абсцисса шатунной шейки; Y_L ее ордината; Φ - угол поворота кривошипа; x и y координаты оси коленчатого вала.The geometric ratio in SKSHM correspond to the ratios:
x = rcosΦ + x _L , y = rsinΦ + y _L.
where X _L abscissa of the connecting rod neck; Y _L her ordinate; Φ is the angle of rotation of the crank; x and y coordinates of the crankshaft axis.

Координату x поршня можно определить как:
x_D= rcosΦ+x_L-vl²-(rsinΦ+y_L)².The x coordinate of the piston can be defined as:
x _D = rcosΦ + x _L -vl ² - (rsinΦ + y _L ) ² .

После ряда известных преобразований получим уравнение движения:
x_D= rcosΦ-lcosβ+x_L,
где β = arcsinλsinΦ+ε.
Скорость поршня получим как:
x = v = -rw(sinΦ-cosΦ•tgβ).
Ускорение поршня как:

Пусковая характеристика двигателя, его способность работать при низких оборотах, обеспечивая достаточно равномерное вращение выходного вала, зависит от вида графика крутящего момента как функции от угла поворота кривошипа. В идеальном случае этот момент должен быть постоянным при любом угле. Однако в силу изменчивости движущей силы и плеча крутящего момента требование постоянства момента не выполнимо. Можно лишь поставить задачу, чтобы минимум момента имел знак максимума и был достаточным для преодоления статического сопротивления движению. Выполнение данного условия создает предпосылки для создания двигателя, способного работать при весьма низких оборотах и, возможно, без муфты сцепления.After a series of known transformations, we obtain the equation of motion:
x _D = rcosΦ-lcosβ + x _L ,
where β = arcsinλsinΦ + ε.
The piston speed will be obtained as:
x = v = -rw (sinΦ-cosΦ • tgβ).
Piston acceleration as:

The starting characteristic of the engine, its ability to work at low speeds, providing a fairly uniform rotation of the output shaft, depends on the type of torque graph as a function of the angle of rotation of the crank. In the ideal case, this moment should be constant at any angle. However, due to the variability of the driving force and torque arm, the requirement of constant torque is not feasible. You can only set the task so that the minimum of the moment has a maximum sign and is sufficient to overcome the static resistance to movement. The fulfillment of this condition creates the prerequisites for creating an engine capable of operating at very low revolutions and, possibly, without a clutch.

Крутящий момент на выходном валу СКШМ является суммой двух моментов: M_L и M_R. Момент M_L является результатом воздействия на кривошип усилия в шатуне. Если кривошип выполняет роль выходного вала, то M_L передается на трансмиссию машины, а моменты M_R сначала на зубчатую передачу, а с нее на выходной вал и далее на трансмиссию. Если не учитывать потерь на трение в шарнирах, то можно определить крутящий момент как:

На фиг. 2 изображена расчетная схема симметричного кривошипно-шатунного механизма, при этом сплошными утолщенными линиями показано положение пары шатунов, соединяющих шток одного из поршней с двумя кривошипами коленчатых валов, зубчатые колеса которых находятся в зацеплении, а пунктирными линиями
положение шатунов другого, размещенного симметрично первому, поршня при соединении второго поршня с теми же коленчатыми валами. Из условий симметрии геометрии и масс механизма следует, что перемещения, скорости, ускорения и инерционные силы, приведенные к точкам 0 и 0₁, будут симметричны относительно упомянутой выше оси, а механизм в целом будет идеально уравновешенным.The torque on the output shaft of the SKShM is the sum of two moments: M _L and M _R. The moment M _L is the result of the influence on the crank of the force in the connecting rod. If the crank plays the role of the output shaft, then M _L is transmitted to the transmission of the machine, and the moments M _R first to the gear transmission, and from it to the output shaft and further to the transmission. If you do not take into account friction losses in the joints, then you can determine the torque as:

In FIG. Figure 2 shows the design diagram of a symmetrical crank mechanism, while solid thickened lines show the position of a pair of connecting rods connecting the rod of one of the pistons with two cranks of crankshafts, the gears of which are engaged, and with dashed lines
the position of the connecting rods of another piston placed symmetrically to the first when connecting the second piston to the same crankshafts. From the conditions of symmetry of the geometry and masses of the mechanism it follows that the displacements, speeds, accelerations and inertial forces reduced to points 0 and 0 ₁ will be symmetrical about the axis mentioned above, and the mechanism as a whole will be perfectly balanced.

На фиг. 6 схематично изображен двигатель с двумя поршнями и соответствующей парой шатунов, размещенный симметрично первому поршню при соединении второго поршня с теми же коленчатыми валами. При этом для обеспечения движения шатунов они должны быть разнесены вдоль оси коленчатых валов, что приводит к появлению неуравновешиваемого крутящего момента, действующего в плоскости оси коленчатого вала. Геометрическая схема перемещений всех поршней за любой промежуток времени при этом равна нулю, но не исключается инерционный момент, действующий на опоры 13. In FIG. 6 schematically shows an engine with two pistons and a corresponding pair of connecting rods placed symmetrically to the first piston when connecting the second piston to the same crankshafts. Moreover, to ensure the movement of the connecting rods, they must be spaced along the axis of the crankshafts, which leads to the appearance of an unbalanced torque acting in the plane of the axis of the crankshaft. The geometric pattern of movements of all pistons for any period of time is equal to zero, but the inertial moment acting on the bearings 13 is not excluded.

Как показывает анализ динамики СКВШ, из отдельных модулей (включающих поршень, шток, пару шатунов и пару коленчатых валов с находящимися в зацеплении зубчатыми колесами) можно собрать механизм, обеспечивающий замыкание инерционных сил внутри остова двигателя в любой момент времени. С помощью одного модуля можно добиться уравновешивания инерционных сил в отдельных (критических) точках, например, в НМТ и (или) ВМТ. As an analysis of the dynamics of the SKVSh shows, from individual modules (including a piston, rod, a pair of connecting rods and a pair of crankshafts with gears engaged), a mechanism can be assembled to ensure that the inertial forces within the engine skeleton are locked at any time. Using one module, it is possible to balance the inertial forces at individual (critical) points, for example, at the BDC and (or) TDC.

График ускорения поршня при движении от НМТ к ВМТ не совпадает с графиком ускорения при движении от ВМТ к НМТ. Это обстоятельство, по-видимому, не позволяет создать уравновешенный модуль из двух коленчатых валов, синхронизированных двумя зубчатыми колесами. Однако вполне возможно выполнение требования, чтобы неуравновешенный инерционный момент был минимальным. Такой механизм называется квазиуравновешенным. The graph of the acceleration of the piston when moving from BDC to BDC does not coincide with the graph of acceleration when moving from BDC to BDC. This circumstance, apparently, does not allow creating a balanced module of two crankshafts synchronized by two gears. However, it is quite possible to fulfill the requirement that the unbalanced inertial moment be minimal. Such a mechanism is called quasi-balanced.

Полностью уравновешенный механизм можно получить из четырех симметрично расположенных коленчатых валов, как показано на фиг.3. При этом векторы перемещений всех поршней сходятся на оси симметрии и в силу их попарного равенства геометрическая сумма перемещений всех поршней за любой момент времени равна нулю, т. е. сумма векторов и моментов векторов перемещений поршней и центров масс шатунов за любой промежуток времени равна нулю. A fully balanced mechanism can be obtained from four symmetrically located crankshafts, as shown in Fig.3. In this case, the displacement vectors of all the pistons converge on the axis of symmetry and, by virtue of their pairwise equality, the geometric sum of the displacements of all the pistons for any moment of time is zero, i.e., the sum of the vectors and moments of the displacement vectors of the pistons and the centers of mass of the connecting rods for any period of time is zero.

Изготовления и испытания опытных образцов заявляемого двигателя (см. фиг. 5) подтвердили правильность заложенных в конструкцию технических решений, уравновешенность двигателя и его повышенную надежность. Полученный механический КПД заявляемого двигателя на 25% выше, чем механический КПД лучших из известных образцов поршневых машин. The manufacture and testing of prototypes of the inventive engine (see Fig. 5) confirmed the correctness of the technical solutions incorporated in the design, the balance of the engine and its increased reliability. The resulting mechanical efficiency of the inventive engine is 25% higher than the mechanical efficiency of the best known reciprocating machine designs.

Таким образом, заявляемая установка обеспечивает выполнение следующих требований к механизму:
отсутствие боковых нагрузок на поршень;
возможность организации двустороннего рабочего процесса;
высокий механический КПД;
отсутствие мертвой точки;
идеальная статическая и динамическая уравновешенность;
возможность приведения вспомогательных механизмов в действие без цепных и ременных передач;
широкая скоростная характеристика, позволяющая использовать импульсное управление мощностью без дросселирования рабочей смеси;
отсутствие ползунов;
отсутствие противовесов;
обеспечение прямолинейного возвратно-поступательного движения с помощью шарниров;
а также улучшение стоимостных и массогабаритных характеристик поршневых машин (двигателей и компрессоров), создаваемых на основе заявляемого механизма, обеспечивающее конкурентоспособностью на внутреннем и международном рынках в сравнении с известными специализированными установками, в том числе и с установкой, принятой за прототип.Thus, the inventive installation provides the following requirements for the mechanism:
lack of lateral loads on the piston;
the possibility of organizing a bilateral workflow;
high mechanical efficiency;
lack of a dead point;
perfect static and dynamic balance;
the ability to bring auxiliary mechanisms into action without chain and belt drives;
wide speed characteristic that allows using pulse power control without throttling the working mixture;
lack of sliders;
lack of counterweights;
providing rectilinear reciprocating motion with the help of hinges;
as well as improving the cost and weight and size characteristics of piston machines (engines and compressors) created on the basis of the claimed mechanism, which ensures competitiveness in the domestic and international markets in comparison with well-known specialized installations, including the installation adopted as a prototype.

Claims

1. A piston machine containing vertical cylinders installed in the housing, pistons, the number of which is a multiple of two, and a mechanism for converting reciprocating motion, including four symmetrically arranged crankshafts with gears and a pair of connecting rods, through which the pistons are connected to two crankshafts, gears which are meshed, characterized in that it is equipped with horizontal cylinders, the pistons of which are connected to two crankshafts through pairs of connecting rods, gear rings sa which are engaged.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the pistons are equipped with rods with which the connecting rods are connected.

3. The machine according to claims 1 and 2, characterized in that it is made with the possibility of organizing a bilateral work process.

4. A piston machine containing cylinders installed in the housing, pistons, the number of which is a multiple of two, and a mechanism for converting reciprocating motion into rotary, containing connecting rods and crankshafts, equipped with main and connecting rod journals, as well as identical cylindrical gears that are in external engagement wheels, the number of which is two, while the axles of the wheels are placed in the first plane, and the piston machine is symmetrical about the second plane perpendicular to the first, and hydrochloric parallel axes gears midway therebetween, characterized in that the machine mechanism comprising pistons, connecting rods and crankshafts within crankpins, is symmetrical relative to the center, placed on the line of intersection of the first and second middle plane between the cylinder axes.