RU213224U1

RU213224U1 - Eight-cylinder boxer conrodless piston internal combustion engine

Info

Publication number: RU213224U1
Application number: RU2022114523U
Authority: RU
Inventors: Николай Моисеевич Цовбун
Original assignee: Николай Моисеевич Цовбун
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2022-08-30

Abstract

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к конструкции восьмицилиндрового оппозитного бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), которая может использоваться для бензиновых или дизельных, для двух-, четырех-, восьмитактных цилиндровых двигателей с использованием обычных систем газораспределения, зажигания, питания, впрыска и т.д. Технический результат - предотвращение самопроизвольного вращения поршней вокруг продольной оси. Восьмицилиндровый оппозитный бесшатунный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по два цилиндра на каждой из параллельных осей, в каждой паре цилиндров по два поршня, жестко соединенных пластиной, снабженной поперечным окном с двумя направляющими, по которым свободно скользит крейцкопф с подшипниками для шейки коленчатого вала перпендикулярно движению поршней, и коленчатый вал с жестким креплением в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластины, и с взаимно перпендикулярными шейками, вращающимися во внутренних подшипниках крейцкопфа, при этом направляющие и соответствующие им наружные полированные поверхности крейцкопфа выполнены в виде соосных V-образных поверхностей.

The utility model relates to the field of engine building, namely to the design of an eight-cylinder opposed connecting rodless piston internal combustion engine (ICE), which can be used for gasoline or diesel, for two-, four-, eight-stroke cylinder engines using conventional gas distribution systems, ignition, power supply, injection, etc. EFFECT: prevention of spontaneous rotation of the pistons around the longitudinal axis. Eight-cylinder opposed connecting rod internal combustion engine containing two cylinders on each of the parallel axes, each pair of cylinders has two pistons rigidly connected by a plate equipped with a transverse window with two guides, along which the crosshead with bearings for the crankshaft journal slides freely perpendicular to the movement of the pistons , and a crankshaft rigidly mounted in bearings standing on both sides of the plate, and with mutually perpendicular journals rotating in the internal bearings of the crosshead, while the guides and their corresponding outer polished surfaces of the crosshead are made in the form of coaxial V-shaped surfaces.

Description

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к оппозитным бесшатунным поршневым двигателям внутреннего сгорания, и может использоваться для двигателей внутреннего сгорания с использованием обычных систем газораспределения, зажигания, питания, впрыска и т.д.The utility model relates to the field of engine building, namely to opposed connecting rodless piston internal combustion engines, and can be used for internal combustion engines using conventional gas distribution, ignition, power, injection, etc. systems.

Известны бесшатунные поршневые двигатели, предложенные С. Баландиным в тридцатых-сороковых годах прошлого века, когда в конструкторском бюро, где работал автор, были построены несколько типов авиационных двигателей с необычным, отличным от кривошипно-шатунного, силовым механизмом. Все построенные образцы основывались на схеме с одной избыточной кинематической связью. Однако предложенная схема не получила практической реализации, в основном из-за своей сложности.Connecting-rodless piston engines are known, proposed by S. Balandin in the thirties and forties of the last century, when several types of aircraft engines with an unusual power mechanism, different from the crank-and-rod, were built in the design bureau where the author worked. All constructed samples were based on a scheme with one redundant kinematic connection. However, the proposed scheme has not received practical implementation, mainly because of its complexity.

Наиболее близким к заявляемому является оппозитный бесшатунный поршневой двигатель, содержащий по два цилиндра на каждой из параллельных осей, в каждой паре цилиндров по два поршня, жестко соединенных пластиной, снабженной поперечным окном (прорезью) с двумя направляющими, по которым свободно скользит крейцкопф с подшипниками для шейки коленчатого вала перпендикулярно движению поршней, и коленчатый вал с жестким креплением в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластин, и с взаимно перпендикулярными шейками, вращающимися во внутренних подшипниках крейцкопфа, обеспечивающий чередование между рабочими тактами через 90° (п. РФ №2568350 С1).Closest to the claimed is a boxer rodless piston engine containing two cylinders on each of the parallel axes, each pair of cylinders has two pistons rigidly connected by a plate equipped with a transverse window (slot) with two guides, along which the crosshead slides freely with bearings for journals of the crankshaft perpendicular to the movement of the pistons, and a crankshaft with rigid mounting in bearings, standing on both sides of the plates, and with mutually perpendicular journals rotating in the internal bearings of the crosshead, providing alternation between working cycles through 90 ° (p. RF No. 2568350 C1).

Такая конструкция позволяет избегать эффекта верхней мертвой точки (ВМТ): когда при начале рабочего хода в верхней мертвой точке находится один из поршней, у второго поршня, на перпендикулярной шейке, крутящий момент на коленчатом валу максимален, в результате крутящий момент бесшатунного двигателя - величина постоянная, без провалов в ВМТ, равная произведению силы давления на поршень на половину хода поршня. Математически это выглядит так: если момент по одной оси X, а по перпендикулярной Y, то суммарный момент (формула окружности):This design avoids the effect of top dead center (TDC): when at the beginning of the working stroke one of the pistons is at the top dead center, at the second piston, on a perpendicular neck, the torque on the crankshaft is maximum, as a result, the torque of a connecting rodless engine is a constant value , without dips in TDC, equal to the product of the pressure force on the piston by half the piston stroke. Mathematically, it looks like this: if the moment is along one axis X, and along the perpendicular Y, then the total moment (circle formula):

При рассмотрении рабочих циклов через 90° в четырехцилиндровых оппозитных ДВС обнаруживаем, что при повороте коленвала от 540° до 630° в одном цилиндре заканчивается рабочий ход сокращая крутящий момент и в следующей четверти оборота в цилиндрах будут только выхлоп и всасывание, а также в первом цилиндре в продолжении вращения от 0° до 90° крутящий момент возрастает от нуля до максимального. В это время формула (1) не выполняется, это небольшой, но все же недостаток конструкции, провал в крутящем моменте.When considering work cycles through 90 ° in four-cylinder boxer internal combustion engines, we find that when the crankshaft is rotated from 540 ° to 630 °, the work stroke ends in one cylinder, reducing the torque and in the next quarter of a turn there will be only exhaust and suction in the cylinders, as well as in the first cylinder as rotation continues from 0° to 90°, the torque increases from zero to maximum. At this time, formula (1) is not fulfilled, this is a small, but still a design flaw, a dip in torque.

Шатунные (крейцкопфные) шейки коленвала вращаются во внутренних подшипниках свободно скользящих крейцкопф. Крейцкопфы имеют одну степень свободы и не оказывают давления на боковые стенки цилиндров, что повышает механический КПД, поперечное перемещение крейцкопфа осуществляется давлением газов смеси цилиндра с перпендикулярной шейки коленвала и, соответственно, уменьшается износ цилиндров и поршней, что делает механизм высоконадежным с длительной работоспособностью.Connecting rod (crosshead) crankshaft journals rotate in internal bearings of freely sliding crossheads. The crossheads have one degree of freedom and do not exert pressure on the side walls of the cylinders, which increases the mechanical efficiency, the transverse movement of the crosshead is carried out by the pressure of the gases of the mixture of the cylinder from the perpendicular crankshaft journal and, accordingly, the wear of the cylinders and pistons is reduced, which makes the mechanism highly reliable with long-term performance.

Однако отметим существенный недостаток известного решения, связанный с тем, что при движении крейцкопфа при плоских скользящих поверхностях возможно свободное проворачивание поршней на своей оси, что приведет к поломке двигателя.However, we note a significant drawback of the known solution, due to the fact that when the crosshead moves with flat sliding surfaces, the pistons can freely rotate on their axis, which will lead to engine failure.

Таким образом, существует проблема повышения надежности работы двигателя.Thus, there is a problem of improving the reliability of the engine.

Проблема решается восьмицилиндровым оппозитным бесшатунным двигателем внутреннего сгорания, содержащим по два цилиндра на каждой из параллельных осей, в каждой паре цилиндров по два поршня, жестко соединенных пластиной, снабженной поперечным окном с двумя направляющими, по которым свободно скользит крейцкопф с подшипниками для шейки коленчатого вала перпендикулярно движению поршней, и коленчатый вал с жестким креплением в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от пластины, и с взаимно перпендикулярными шейками, вращающимися во внутренних подшипниках крейцкопфа, обеспечивающий чередование между рабочими тактами, при этом направляющие окна и соответствующие им полированные поверхности крейцкопфа выполнены в виде соосных V-образных поверхностей, а сторона окна, перпендикулярная направляющим, выполнена съемной.The problem is solved by an eight-cylinder opposed connecting rod internal combustion engine containing two cylinders on each of the parallel axes, in each pair of cylinders there are two pistons rigidly connected by a plate equipped with a transverse window with two guides, along which the crosshead with bearings for the crankshaft journal slides perpendicularly movement of the pistons, and a crankshaft rigidly mounted in bearings on both sides of the plate, and with mutually perpendicular journals rotating in the internal bearings of the crosshead, providing alternation between working cycles, while the guide windows and the corresponding polished surfaces of the crosshead are made in in the form of coaxial V-shaped surfaces, and the side of the window, perpendicular to the guides, is made removable.

Технический результат - предотвращение самопроизвольного вращения поршней вокруг продольной оси.EFFECT: prevention of spontaneous rotation of the pistons around the longitudinal axis.

Заявляемое решение поясняется структурными схемами (Фиг. 1-3) одного из возможных вариантов заявляемого бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания - восьмицилиндрового.The proposed solution is illustrated by structural diagrams (Fig. 1-3) of one of the possible options for the proposed rodless piston internal combustion engine - eight-cylinder.

На Фиг. 1 изображена кинематическая схема восьмицилиндрового оппозитного бесшатунного поршневого двигателя внутреннего сгорания вид снизу: (1, 2; 3, 4; 5, 6; 7, 8) - четыре пары оппозитных цилиндров; (9, 10; 11, 12; 13, 14; 15, 16) - четыре пары поршней с поршневыми кольцами (18); (17) - четыре поперечных окна с двумя направляющими (20) и V-образными поверхностями (19); (24) - крейцкопф; (27) - коленчатый вал; (28) - коренные подшипники коленвала; (29) - подшипники распределительных валов; (30) -распределительные валы; (31) - всасывающие клапаны; (32) - выхлопные клапаны; (33) - косозубая шестерня коленчатого вала; (34) -косозубые шестерни распредвалов;On FIG. 1 shows a kinematic diagram of an eight-cylinder opposed connecting rodless piston internal combustion engine, bottom view: (1, 2; 3, 4; 5, 6; 7, 8) - four pairs of opposed cylinders; (9, 10; 11, 12; 13, 14; 15, 16) - four pairs of pistons with piston rings (18); (17) - four transverse windows with two guides (20) and V-shaped surfaces (19); (24) - crosshead; (27) - crankshaft; (28) - crankshaft main bearings; (29) - camshaft bearings; (30) - camshafts; (31) - suction valves; (32) - exhaust valves; (33) - helical gear of the crankshaft; (34) - helical gears of camshafts;

На Фиг. 2 изображены два поршня (9-16), П-образное окно (17) со съемной перекладиной (23), соединяющее два поршня; (25) - подшипники шейки коленвала; (24) - крейцкопф; (18) - поршневые кольца.On FIG. 2 shows two pistons (9-16), a U-shaped window (17) with a removable crossbar (23) connecting the two pistons; (25) - crankshaft journal bearings; (24) - crosshead; (18) - piston rings.

На Фиг. 3 - крейцкопф (24), вкладыши шейки коленвала (25), скользящие V-образные поверхности крейцкопфа (26), болты крепления (35), коксы (36).On FIG. 3 - crosshead (24), crankshaft journal liners (25), sliding V-shaped surfaces of the crosshead (26), mounting bolts (35), cokes (36).

Двусторонний рабочий процесс в цилиндрах разгружает коленчатый вал: если в первом цилиндре рабочий ход - в противоположном - сжатие, в результате на крейцкопфную шейку коленвала действует только разность этих сил, и также свободно скользящий крейцкопф устраняет боковое давление на стенки цилиндров, уменьшая износ цилиндров и поршней и повышая КПД.The two-way working process in the cylinders unloads the crankshaft: if in the first cylinder the working stroke - in the opposite - compression, as a result, only the difference of these forces acts on the crosshead journal of the crankshaft, and also the freely sliding crosshead eliminates lateral pressure on the cylinder walls, reducing wear on the cylinders and pistons and increasing efficiency.

Коленчатый вал жестко закреплен в пяти коренных подшипниках, стоящих по обе стороны от окна, как и в традиционном (тронковом) ДВС, так и с 4-8 шатунными (крейцкопфными) шейками, расположенными симметрично относительно коренных шеек, попарно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях лишено провалов в крутящем моменте.The crankshaft is rigidly fixed in five main bearings, standing on both sides of the window, as in the traditional (trunk) internal combustion engine, and with 4-8 connecting rod (crosshead) journals located symmetrically relative to the main journals, in pairs in two mutually perpendicular planes torque dips.

Восемь оппозитных цилиндров (1, 2; 3, 4; 5, 6; 7, 8) (Фиг. 1) изготавливаются попарно с одной установки на одной оси, что позволяет каждые два оппозитных поршня (9, 10; 11, 12; 13, 14; 15, 16) жестко соединить посредством окна (17), с необходимыми размерами для шейки коленвала и крейцкопфа (24). Суммарная длина двух соединенных окном поршней и отсутствие бокового давления позволяет сократить длину самих поршней за счет отсутствия юбки поршня и места для поршневого пальца, остается только место для установки поршневых колец (18), что сокращает длину цилиндров и, соответственно, габариты, вес конструкции. Кроме того, отсутствие бокового давления позволяет увеличить диаметр поршней и цилиндров и соответственно сократить величину хода поршня без сокращения крутящего момента, так как сокращение длины хода компенсируется увеличением давления на поршень. Все это позволит сократить вес двигателя до 40%. А также становится возможным отказаться от мало надежных цепи или ремня газораспределительного механизма (ГРМ) и установить нижнее расположение распределительного вала привода клапанов с шестеренчатым приводом, хотя можно использовать и верхнее расположение.Eight opposed cylinders (1, 2; 3, 4; 5, 6; 7, 8) (Fig. 1) are made in pairs from one installation on the same axis, which allows every two opposed pistons (9, 10; 11, 12; 13 , 14; 15, 16) rigidly connect by means of a window (17), with the required dimensions for the crankshaft journal and crosshead (24). The total length of the two pistons connected by a window and the absence of lateral pressure makes it possible to reduce the length of the pistons themselves due to the absence of a piston skirt and a place for a piston pin, leaving only a place for installing piston rings (18), which reduces the length of the cylinders and, accordingly, the dimensions and weight of the structure. In addition, the absence of lateral pressure makes it possible to increase the diameter of the pistons and cylinders and, accordingly, to reduce the piston stroke without reducing the torque, since the reduction in stroke length is compensated by an increase in pressure on the piston. All this will reduce the weight of the engine up to 40%. And it also becomes possible to abandon the unreliable chain or timing belt (timing) and install the lower position of the gear-driven valve drive camshaft, although the upper position can also be used.

Для предотвращения произвольного вращения поршней вокруг продольной оси, что возможно при плоских поверхностях подшипников скольжения крейцкопфа в окно (17) по направляющим (20) вдвигаются двухполосные V-образные поверхности скольжения (19) с пластинами (20), регулирующими их прижатие. В боковые выступы окна (17) с обеих сторон вставляются плоские пластины поршней (9-16), с закреплением их 8 прецизионными болтами (21) в точно сопряженных отверстиях (22). В сборке, детали устройства маркируем и, для соосности поршней, обрабатываем поршни на центрах. Затем устройство разбирается, поршни вставляются в цилиндры и соединяются с окном, согласно маркировке. Прецизионные болты (21) и точно сопряженные отверстия (22) используются для того, чтобы при разборке и сборке геометрия устройства сохранялась максимально. Затем окно (17) закрывается съемной перекладиной (23) такими же болтами (21).To prevent arbitrary rotation of the pistons around the longitudinal axis, which is possible with flat surfaces of the crosshead plain bearings, two-lane V-shaped sliding surfaces (19) with plates (20) regulating their pressing are inserted into the window (17) along the guides (20). The flat plates of the pistons (9-16) are inserted into the side ledges of the window (17) on both sides, and fixed with 8 precision bolts (21) in exactly mating holes (22). In the assembly, we mark the parts of the device and, for the alignment of the pistons, we process the pistons on the centers. Then the device is disassembled, the pistons are inserted into the cylinders and connected to the window, according to the marking. Precision bolts (21) and precisely matched holes (22) are used to maximize the device geometry during disassembly and reassembly. Then the window (17) is closed with a removable crossbar (23) with the same bolts (21).

Крейцкопфы (24) имеют скользящие внутренние подшипники для шейки коленвала (25) (вкладыши) и две V-образные плоские наружные полированные поверхности с каждой стороны крейцкопфа (26) для поверхностей скольжения (19), вставленных в направляющие в окне, с возможностью их регулировки пластинами (20). Шатунные (крейцкопфные) шейки коленчатого вала (27) вращаются во внутренних подшипниках свободно скользящих крейцкопф. Крейцкопф (24) изготавливают из двух симметричных половин, скрепленных болтами, зафиксированных штырями (коксами). Для балансировки нужно согласовать вес четырех крейцкопфов, затем установить их на коленчатый вал, сбалансировать, затем установить коленвал, в пять коренных подшипников (28) и в четыре окна вставить четыре крейцкопфа. Затем окно 17 закрывается пластиной (23) прецизионными болтами (21).The crossheads (24) have sliding inner bearings for the crankshaft journal (25) (liners) and two V-shaped flat external polished surfaces on each side of the crosshead (26) for sliding surfaces (19) inserted into the guides in the window, with the possibility of their adjustment plates (20). The connecting rod (crosshead) journals of the crankshaft (27) rotate in the internal bearings of freely sliding crossheads. The crosshead (24) is made of two symmetrical halves, bolted together, fixed with pins (cokes). To balance, you need to coordinate the weight of the four crossheads, then install them on the crankshaft, balance, then install the crankshaft, into the five main bearings (28) and insert four crossheads into the four windows. Then the window 17 is closed with a plate (23) with precision bolts (21).

Система смазки производится через каналы в коленчатом валу, выходящие на наружную поверхность крейцкопфа, аналогичную, как при кривошипно-шатунном механизме, кроме того, смазка производится масляным туманом, порождаемым вращением коленчатого вала.The lubrication system is carried out through channels in the crankshaft that open onto the outer surface of the crosshead, similar to that of the crank mechanism, in addition, lubrication is carried out by oil mist generated by the rotation of the crankshaft.

Система газораспределения, в связи с сокращением длины цилиндров, предпочтительна с нижним расположением клапанов в масляной ванне поддона, уменьшая трение и износ и продлевая исправность устройства. Возможна установка как двух, так и одного распределительных валов, используя традиционные устройства ГРМ.The gas distribution system, due to the reduction in the length of the cylinders, is preferable with the lower valves in the oil pan, reducing friction and wear and prolonging the serviceability of the device. It is possible to install both two and one camshafts using traditional timing devices.

Сборка двигателя происходит следующим образом: в цилиндры (1-8) со снятыми двумя крышками блока цилиндров вставляются поршни (9-16) в разобранном состоянии, и затем соединяются с П-образным окном (17), согласно маркировки, прорезью вверх, в прорези окна вставляется сбалансированный коленвал (27) с установленными на него крейцкопфами (24) и закрепляется пластинами (23). Затем коленчатый вал жестко закрепляется вторыми половинами коренных подшипников (28).The engine is assembled as follows: pistons (9-16) are inserted into the cylinders (1-8) with the two cylinder covers removed, disassembled, and then connected to the U-shaped window (17), according to the marking, with the slot up, in the slot window, a balanced crankshaft (27) with crossheads (24) mounted on it is inserted and fixed with plates (23). Then the crankshaft is rigidly fixed with the second halves of the main bearings (28).

В таблице приведены рабочие циклы в восьмицилиндровом оппозитном бесшатунном поршневом двигателе внутреннего сгорания, которая показывает отсутствие провала в крутящем моменте, поскольку рабочий ход присутствует всегда.The table shows duty cycles in an eight-cylinder boxer conrodless piston internal combustion engine, which shows no dip in torque since the power stroke is always present.

Claims

Eight-cylinder opposed connecting rodless internal combustion engine containing two cylinders on each of the parallel axes, each pair of cylinders has two pistons rigidly connected by a plate equipped with a transverse window with two guides, along which the crosshead with bearings for the crankshaft journal slides freely perpendicular to the movement of the pistons , and a crankshaft with a rigid mount in bearings, standing on both sides of the plate, and with mutually perpendicular journals rotating in the internal bearings of the crosshead, providing alternation between working cycles, characterized in that the guide windows and the corresponding outer polished surfaces of the crosshead are made in the form of coaxial V-shaped surfaces, and the side of the window, perpendicular to the guides, is made removable.