RU2118679C1

RU2118679C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2118679C1
Application number: RU96122280A
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Косухин
Original assignee: Александр Викторович Косухин
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 1998-09-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines. SUBSTANCE: transformation mechanism has flywheel 6 installed on shaft 5 whose axis is square to axis of cylinder 2. Rhomboid channel is made on side surface of flywheel 6. Seats 8 in rod 4 are designed for fitting-in balls of antifriction bearings 9 installed at one side into channel 7 of flywheel and at other side, into support guide arranged on crankcase. EFFECT: increased efficiency, improved specific characteristics of engine. 1 tbl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания. The invention relates to mechanical engineering, in particular to engine building, and in particular to internal combustion engines.

Известны двигатели внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором радиус кривошипа равен половине хода поршня или несколько меньше половины хода поршня при смещении плоскости движения оси поршневого пальца от оси кривошипа (Ховард М.С. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение, 1977, с. 3371). Однако эти двигатели имеют невысокое значение КПД из-за больших механических потерь при высоких скоростях движения поршня, нагруженности пары трения поршень-зеркало цилиндра, сложности рабочих процессов в камерах сгорания за счет оперативного изменения нагрузок на поршень, изменения его скорости, жесткой зависимости между фазами рабочего цикла в цилиндре и угловыми перемещениями кривошипа. Known internal combustion engines with a crank mechanism, in which the radius of the crank is equal to half the stroke of the piston or slightly less than half the stroke of the piston when the plane of the axis of the piston pin is offset from the axis of the crank (Howard M.S. Automotive engines. - M.: Mechanical Engineering, 1977 p. 3371). However, these engines have low efficiency due to large mechanical losses at high piston speeds, the load of the friction pair of the piston-mirror cylinder, the complexity of the working processes in the combustion chambers due to operational changes in the loads on the piston, changes in its speed, and a rigid relationship between the phases of the worker cycle in the cylinder and angular movements of the crank.

Известен двигатель внутреннего сгорания (JP, патент, 930223, кл. F 02 B 75/32, 1994), содержащий картер, закрепленный на нем цилиндр, в котором установлен поршень, ось коленчатого вала наклонена в направлении радиуса цилиндра относительно осевой линии сверления цилиндра. Known internal combustion engine (JP, patent, 930223, class F 02 B 75/32, 1994), comprising a crankcase, a cylinder mounted on it, in which a piston is mounted, the axis of the crankshaft is inclined in the direction of the radius of the cylinder relative to the axial line of drilling of the cylinder.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий картер, закрепленный на нем цилиндр, установленный в нем поршень и механизм преобразования возвратно-поступательного движения с валом (SU, патент, 12168, кл. F 02 B 75/26, 1929). Данное устройство взято за ближайший аналог. A known internal combustion engine comprising a crankcase, a cylinder fixed thereon, a piston mounted therein and a reciprocating movement conversion mechanism with a shaft (SU, patent, 12168, class F 02 B 75/26, 1929). This device is taken for the closest analogue.

Недостатком ближайшего аналога является неполный рычаг воздействия поршня на кривошипно-шатунный механизм из-за несовершенства кинематической схемы последнего. The disadvantage of the closest analogue is the incomplete lever of the piston's impact on the crank mechanism due to the imperfection of the kinematic scheme of the latter.

Технической задачей изобретения является разработка двигателя внутреннего сгорания с высоким КПД за счет прямого преобразования возвратно-поступательного движения поршня со штоком во вращение маховика с рычагом воздействия от 1,5 хода поршня и более, а также повышение удельных показателей двигателя: уменьшение выбросов токсичных продуктов сгорания, повышение теплового КПД, уменьшение коэффициента трения, улучшение параметра удельного веса. An object of the invention is the development of an internal combustion engine with high efficiency due to the direct conversion of the reciprocating motion of the piston with the rod into the rotation of the flywheel with the lever of 1.5 or more piston strokes, as well as increasing specific engine performance: reducing emissions of toxic combustion products, increasing thermal efficiency, reducing the coefficient of friction, improving the specific gravity parameter.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения. The problem is solved using the signs indicated in the claims.

Согласно п. 1 формулы изобретения в двигателе внутреннего сгорания, содержащем признаки, общие с прототипом: картер, закрепленный на картере цилиндр, поршень, размещенный в цилиндре, и механизм преобразования возвратно-поступательного движения с валом, имеются существенные отличительные признаки, такие как механизм преобразования снабжен маховиком, установленным на валу, ось вращения которого перпендикулярна оси цилиндра, причем на боковой поверхности маховика выполнен канал ромбовидной формы, при этом шток поршня имеет диаметрально расположенные посадочные гнезда для шариков подшипников качения, установленных с одной стороны в канал маховика, а с другой стороны в опорной направляющей, размещенной на картере. According to paragraph 1 of the claims, in an internal combustion engine containing features common to the prototype: a crankcase mounted on a crankcase, a piston located in the cylinder, and a reciprocating movement mechanism with a shaft, there are significant distinguishing features, such as a conversion mechanism equipped with a flywheel mounted on a shaft, the axis of rotation of which is perpendicular to the axis of the cylinder, and a diamond-shaped channel is made on the side surface of the flywheel, while the piston rod has diametrically p recessed seating seats for ball bearings installed on one side of the flywheel channel, and on the other hand in a support rail located on the crankcase.

Использование маховика с ромбовидной формой канала позволяет: нагружать детали поршневой группы и маховика в основном пульсирующими нагрузками, что увеличивает прочностные свойства материала этих деталей; получить более высокое значение крутящего момента за оборот маховика; снизить инерционные нагрузки на детали двигателя. Using a flywheel with a diamond-shaped channel allows you to: load parts of the piston group and the flywheel mainly with pulsating loads, which increases the strength properties of the material of these parts; get a higher torque value per flywheel revolution; reduce inertial loads on engine parts.

Конструкция штока с посадочными гнездами, в которых установлены шарики подшипников качения, позволяет преобразовать возвратно-поступательное движение поршня во вращение маховика, при этом опорная направляющая препятствует отклонению шарикам подшипников качения (их центров) из плоскости, на которой находится ось цилиндра, совмещенные оси маховика и вала двигателя. За один оборот вала поршень может совершать два возвратно-поступательных движения, причем можно изменять скоростную характеристику прохождения поршня в цилиндре от линейной до гиперболической, изменяя форму канала на боковой поверхности маховика. The design of the rod with the seating seats in which the ball bearings of the bearings are installed allows the reciprocating movement of the piston to be converted into rotation of the flywheel, while the support guide prevents the balls of the rolling bearings (their centers) from deviating from the plane on which the cylinder axis is located, the combined axis of the flywheel and motor shaft. For one revolution of the shaft, the piston can make two reciprocating movements, and it is possible to change the speed characteristic of the piston in the cylinder from linear to hyperbolic, changing the shape of the channel on the side surface of the flywheel.

В п. 2 формулы изобретения характеризуется особенность выполнения маховика, а именно маховик выполнен радиусом больше величины рабочего хода поршня в цилиндре. Это позволяет увеличить рычаг воздействия штока поршня на вал относительно прототипа как минимум в 3 раза. In paragraph 2 of the claims, a flywheel embodiment is characterized, namely, the flywheel is made with a radius greater than the magnitude of the piston stroke in the cylinder. This allows you to increase the lever of the piston rod on the shaft relative to the prototype at least 3 times.

Согласно п. 3 формулы изобретения раскрывается особенность размещения штока и посадочных гнезд на нем, а именно на штоке посадочные гнезда удалены от поршня на расстояние больше величины рабочего хода поршня, при этом величина расстояния, отделяющего шток от маховика и от опорной направляющей, равна 1/4 диаметра шарика подшипника качения. Такая конструкция позволяет прямо преобразовать возвратно-поступательное движение штока поршня во вращение маховика без значительных потерь на трение. According to paragraph 3 of the claims, it is disclosed that the rod and the seat slots are placed on it, namely, the rod seats are removed from the piston by a distance greater than the piston stroke, while the distance separating the rod from the flywheel and from the support rail is 1 / 4 diameters of a ball of the rolling bearing. This design allows you to directly convert the reciprocating motion of the piston rod into the rotation of the flywheel without significant friction losses.

В п. 4 формулы изобретения характеризуется выполнение опорной направляющей, а именно в опорной направляющей выполнен канал в форме прямолинейного желоба и длиной больше величины рабочего хода поршня. Такая конструкция способствует преобразованию возвратно-поступательного движения штока поршня во вращение маховика. In paragraph 4 of the claims, a support guide is characterized, namely, a channel in the form of a rectilinear groove and a length greater than the stroke length of the piston is made in the support guide. This design helps to convert the reciprocating motion of the piston rod into rotation of the flywheel.

В п. 5 формулы изобретения нашла отражение особенность размещения опорной направляющей, а именно ось канала опорной направляющей находится в плоскости, на которой расположены ось цилиндра и ось маховика, причем ось канала опорной направляющей и ось цилиндра перпендикулярны оси маховика. Расположение оси цилиндра и оси прямолинейного канала опорной направляющей перпендикулярно рабочей оси вала двигателя и позволяет изменять скоростную характеристику прохождения поршня в цилиндре, увеличить рычаг воздействия штока поршня на маховик. Paragraph 5 of the claims reflected the feature of the placement of the support guide, namely, the axis of the channel of the support guide is in the plane on which the axis of the cylinder and the axis of the flywheel are located, the axis of the channel of the support guide and the axis of the cylinder perpendicular to the axis of the flywheel. The location of the axis of the cylinder and the axis of the straight channel of the support guide perpendicular to the working axis of the engine shaft and allows you to change the speed characteristic of the passage of the piston in the cylinder, increase the lever of the piston rod on the flywheel.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволяет установить соответствие критерию "новизна". Comparison of the claimed technical solution with the prototype allows you to establish compliance with the criterion of "novelty."

При изучении других, известных технических решений в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "изобретательский уровень". In the study of other well-known technical solutions in this technical field, the features that distinguish the claimed invention from the prototype were not identified and therefore they provide the claimed technical solution with the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 представлен двигатель (разрез Б-Б на фиг. 2), на фиг. 2 изображен разрез по А-А фиг. 1. В таблице приведены фазы прохождения поршня в цилиндре, при величине хода поршня, равной 50 км, двигателя с кривошипно-шатунным механизмом, рычаг которого 0,5 хода поршня и рассматриваемого двигателя, а также соответствующие им угловые положения кривошипа и маховика соответственно. In FIG. 1 shows an engine (section BB in FIG. 2), FIG. 2 shows a section along aa of FIG. 1. The table shows the phases of the piston in the cylinder, with the piston stroke equal to 50 km, of an engine with a crank mechanism, the lever of which is 0.5 of the piston stroke and the engine in question, as well as the corresponding angular positions of the crank and flywheel, respectively.

Двигатель (фиг. 1, 2) состоит из картера 1с закрепленным на нем цилиндром 2, в котором установлен поршень 3 со штоком 4. В картере 1 размещен вал 5 с маховиком 6, имеющие общую ось вращения. На боковой поверхности маховика 6 размещен ромбовидной формы канал 7. В штоке 4 имеются посадочные гнезда 8 для установки шариков подшипников качения 9, которые соединяют шток 4 с маховиком 6 и опорной направляющей 10, последняя имеет канал 11 в форме прямолинейного желоба и длиной больше величины рабочего хода поршня, укреплена на картере 1. The engine (Fig. 1, 2) consists of a crankcase 1 with a cylinder 2 fixed on it, in which a piston 3 with a rod 4 is mounted. In the crankcase 1 there is a shaft 5 with a flywheel 6 having a common axis of rotation. A channel 7 is placed on the side surface of the flywheel 6. A rod-shaped channel 7 is located in the rod 4. For mounting the balls of rolling bearings 9, they connect the rod 4 to the flywheel 6 and the support guide 10, the latter has a channel 11 in the form of a rectilinear groove and is longer than the working size stroke, mounted on crankcase 1.

Радиус маховика 6 выполнен больше величины рабочего хода поршня. The radius of the flywheel 6 is made greater than the magnitude of the stroke of the piston.

Расстояние, отделяющее шток 4 от маховика 6, а также шток 4 от опорной направляющей 10, равно 1/4 диаметра шарика подшипника качения 9, а посадочные гнезда 8 шариков подшипников качения 9, расположенные на штоке 4, удалены от поршня 3 на расстояние больше величины рабочего хода поршня 3. Ось канала 11 опорной направляющей и центры шариков подшипников качения 9 расположены в плоскости, на которой находятся оси цилиндра 2 и маховика 6, при этом оси цилиндра 2 и канала опорной направляющей 11 перпендикулярны оси маховика 6. The distance separating the rod 4 from the flywheel 6, as well as the rod 4 from the support guide 10, is 1/4 of the diameter of the ball of the rolling bearing 9, and the seating seats 8 of the balls of the rolling bearings 9 located on the rod 4 are removed from the piston 3 by a distance greater than piston stroke 3. The axis of the channel 11 of the support guide and the centers of the balls of the rolling bearings 9 are located in the plane on which the axes of the cylinder 2 and the flywheel 6 are located, while the axes of the cylinder 2 and the channel of the support guide 11 are perpendicular to the axis of the flywheel 6.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

Рассмотрим общий случай (фиг 1, 2), когда поршень 3 находится в нижней мертвой точке цилиндра 2. Маховик 6 установлен в положении, при котором ромбовидной формы канал 7 и установленный в нем шарик подшипника качения 9 максимально приближены к оси вращения маховика 6. При вращении маховика 6 по часовой стрелке ромбовидной формы канал 7 перемещает шарик подшипника качения 9, установленного в посадочное гнездо 8 штока 4, при этом шток 4 и закрепленный на нем поршень 3 перемещаются к верхней мертвой точке. При достижении поршня 3 верхней мертвой точки заканчивается процесс сжатия горючей смеси в цилиндре 2, поршень 3 под воздействием расширяющихся продуктов сгорания переместится к нижней мертвой точке, при этом шток 4, воздействуя на ромбовидной формы канал 7 через шарик подшипника качения 9, поворачивает маховик 6 по часовой стрелке. Когда поршень 3 займет положение в нижней мертвой точке, маховик 6 повернется на 180^o. За счет накопленной кинетической энергии, при прохождении поршня 3 от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки, маховик 6 начинает воздействовать на шток 4, через шарик подшипника качения 9, при этом поршень 3 с нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. Процесс повторяется.Consider the general case (FIGS. 1, 2) when the piston 3 is at the bottom dead center of the cylinder 2. The flywheel 6 is installed in a position in which the diamond-shaped channel 7 and the ball of the rolling bearing 9 installed in it are as close as possible to the axis of rotation of the flywheel 6. When By rotating the flywheel 6 in a clockwise direction, the diamond-shaped channel 7 moves the ball of the rolling bearing 9 installed in the seat 8 of the rod 4, while the rod 4 and the piston 3 attached to it move to the top dead center. When the piston 3 reaches the top dead center, the process of compressing the combustible mixture in the cylinder 2 ends, the piston 3 under the influence of expanding combustion products moves to the bottom dead center, while the rod 4, acting on the diamond-shaped channel 7 through the ball of the rolling bearing 9, rotates the flywheel 6 clockwise. When the piston 3 takes a position at bottom dead center, the flywheel 6 will rotate 180 ^o . Due to the accumulated kinetic energy, when the piston 3 passes from the top dead center to the bottom dead center, the flywheel 6 begins to act on the rod 4 through the ball of the rolling bearing 9, while the piston 3 moves from the bottom dead center to the top dead center. The process is repeated.

Для снижения коэффициента трения в штоке 4 имеются посадочные гнезда 8 для шариков подшипников качения 9, причем основание посадочного гнезда имеет форму квадрата, сторона которого равна величине 3/4 радиуса шарика подшипника качения 9, с соединением сторон в сомкнутый свод, при этом линия сопротивления шарика подшипника качения с посадочным гнездом выглядит в проекции на основание квадрата посадочного гнезда в виде креста, делящего квадрат на четыре равных квадрата. Такой профиль посадочного гнезда обеспечивает постоянное поступление смазки на все линии соприкосновения через углы основания квадрата по граням сторон посадочного гнезда. Для предотвращения отклонения центра шарика подшипника качения 9 из плоскости, в которой лежат оси цилиндра и маховика, установленного со стороны маховика 6 в шток 4, с противоположной стороны последнего в посадочное гнездо установлен шарик подшипника качения 9, который удерживает в прямолинейном канале 11 опорной направляющей 10, при этом совершает возвратно-поступательное движение по прямолинейному каналу 11 на величину расстояния рабочего хода поршня 3 и устраняет осевое вращение поршня 3 и штока 4. To reduce the coefficient of friction in the rod 4 there are seat sockets 8 for balls of rolling bearings 9, the base of the seat nest having the shape of a square, the side of which is equal to 3/4 of the radius of the ball of the rolling bearing 9, with the sides connected to the closed arch, while the line of resistance of the ball of a rolling bearing with a mounting seat looks in projection onto the base of the square of the mounting seat in the form of a cross dividing the square into four equal squares. This profile of the landing socket provides a constant supply of lubricant to all contact lines through the corners of the base of the square along the sides of the sides of the landing socket. To prevent deviation of the center of the ball of the rolling bearing 9 from the plane in which the axes of the cylinder and the flywheel are installed, installed on the flywheel 6 side of the rod 4, from the opposite side of the latter a ball of the rolling bearing 9 is installed in the seat, which holds the guide rail 10 in the straight channel 11 while doing a reciprocating motion along a straight channel 11 by the distance of the working stroke of the piston 3 and eliminates the axial rotation of the piston 3 and the rod 4.

Предлагаемая кинематическая схема двигателя позволяет: увеличить начальную скорость поршня, увеличить тепловое КПД за счет снижения теплоотдачи расширяющихся продуктов сгорания на цилиндр, из-за уменьшения зоны верхней мертвой точки в цилиндре применив канал ромбовидной формы; улучшить параметр удельного веса двигателя; сократить износ и увеличить долговечность цилиндра и уплотнительных колец; снизить коэффициент трения. The proposed kinematic diagram of the engine allows you to: increase the initial speed of the piston, increase thermal efficiency by reducing the heat transfer of expanding combustion products to the cylinder, due to the reduction of the top dead center zone in the cylinder by applying a diamond-shaped channel; improve the specific gravity of the engine; reduce wear and increase the durability of the cylinder and o-rings; reduce the coefficient of friction.

Из вышеперечисленного следует, что данный двигатель имеет многократное увеличение мощности по сравнению с двигателем с кривошипно-шатунным механизмом при условии равного соотношения объема цилиндра и рабочего хода поршня. From the above it follows that this engine has a multiple increase in power compared to an engine with a crank mechanism, provided that the cylinder volume and piston stroke ratio are equal.

Claims

1. An internal combustion engine comprising a crankcase, a cylinder mounted thereon, a piston mounted therein and a reciprocating movement conversion mechanism with a shaft, characterized in that the conversion mechanism is equipped with a flywheel mounted on a shaft whose axis is perpendicular to the axis of the cylinder, and on the side a diamond-shaped channel is made on the surface of the flywheel, while the piston rod has diametrically positioned seats for the balls of rolling bearings installed on one side of the flywheel channel, and on the other hand, in a support rail located on the crankcase.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the flywheel is made with a radius greater than the magnitude of the piston stroke.

3. The engine according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the mounting seats on the rod are removed from the piston by a distance greater than the piston stroke, while the distance separating the rod from the side surface of the flywheel, as well as the rod from the supporting guide, is 1/4 of the diameter of the rolling bearing ball.

4. The engine according to claims 1 to 3, characterized in that the channel in the form of a straight groove is made in the supporting guide and is longer than the length of the piston stroke.

5. The engine according to paragraphs. 1 to 4, characterized in that the axis of the channel of the supporting guide and the centers of the balls of the rolling bearings are located in a plane on which the axis of the cylinder and the axis of the flywheel are located, the axis of the cylinder and the channel axis of the supporting guide being perpendicular to the axis of the flywheel.