RU2222705C2

RU2222705C2 - Internal combustion engine without connecting rods

Info

Publication number: RU2222705C2
Application number: RU2001120231/06A
Authority: RU
Inventors: Ромиль Габдуллович Хадиев (KZ); Ромиль Габдуллович Хадиев; Ринат Габдуллович Хадиев (KZ); Ринат Габдуллович Хадиев
Original assignee: Ромиль Габдуллович Хадиев
Priority date: 2001-07-18
Filing date: 2001-07-18
Publication date: 2004-01-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: invention can be used in internal combustion engines and piston machines. Proposed engine contains cylinders with housing accommodating sectional shaft including working crankshaft and eccentric bushings with eccentric journals arranged at opposite sides. Said eccentric journals are displaced through 1/4 of piston stroke from axis and rotate to different sides relative to crankshaft. Eccentric bushings with eccentric journals are provided with gear, diameter equal to 1/2 of piston stroke, engaging with crown gears secured in housing and having diameter equal to piston stroke. Piston rods are rigidly coupled with pistons and are articulated with eccentric bushings. According to invention, crankshaft is made solid and is provided with two opposite journals displaced in different sides from axis through 1/4 of piston stroke, and eccentric bushings with eccentric journal are installed on crankshaft journals through bearings. Gears of eccentric journals are rigidly secured from two of eccentric bushings. EFFECT: improved efficiency of machine. 4 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение рабочего вала, в частности к четырехтактным двигателям. The invention relates to internal combustion engines with a rodless mechanism for converting reciprocating pistons into rotational motion of the working shaft, in particular to four-stroke engines.

Известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. а. с. СССР 118471, МПК F 01 B 9/02, опуб. 1974), в котором механизм содержит шток, жестко соединенный с поршнями, коленчатый вал, концевые шейки которого могут двигаться по кругу с радиусом, равным 1/4 хода поршней, кривошипы с центральными выводными валами и соединенный вал с шестернями наружного зацепления, фиксирующими относительное положение кривошипов друг относительно друга. A known internal combustion engine with a rodless mechanism (see a.a. USSR 118471, IPC F 01 B 9/02, publ. 1974), in which the mechanism comprises a rod rigidly connected to pistons, a crankshaft whose end necks can move along a circle with a radius equal to 1/4 of the piston stroke, cranks with central output shafts and a connected shaft with external gears fixing the relative position of the cranks relative to each other.

Кроме того, известен двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. а.с. СССР 1036945, МПК F 02 B 75/32, опуб. 1983), содержащий поршень с цилиндром, картер, в котором размещен составной вал, выполненный из двух половин и кривошипа, соединяющего половины и закрепленного в них на подшипниках на радиусе 1/4 хода поршня от оси вала, и шток, жестко связанный с поршнем и сочлененный через подшипник с кривошипом, причем кривошипная головка штока размещена в неподвижной направляющей с возможностью скольжения по ней, направляющая выполнена в виде вставки с пазом для головки штока, а картер снабжен сквозным окном для размещения в нем вставки, а рабочие поверхности паза снабжены накладками из антифрикционного материала. In addition, a known internal combustion engine with a rodless mechanism (see AS USSR 1036945, IPC F 02 B 75/32, publ. 1983), comprising a piston with a cylinder, a crankcase in which a composite shaft made of two halves is placed and a crank connecting the halves and mounted in them on bearings at a radius of 1/4 of the piston stroke from the axis of the shaft, and a rod rigidly connected to the piston and articulated through the bearing with the crank, the crank rod head being placed in a fixed rail with the possibility of sliding along it, the guide is made in the form of sun bearings with a groove for the rod head, and the crankcase is equipped with a through window for insertion in it, and the working surfaces of the groove are equipped with plates of antifriction material.

Из всей совокупности известных технических решений наиболее близким по совокупности признаков и значимости прототипом является двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом (см. патент WO 92/17694, МПК F 02 B 75/32, МПК F 16/H 21/30, опуб. 15.10.1992), в котором от рабочего вала попарно с разных сторон расположены цилиндры с поршнями, эти поршни попарно жестко связаны между собой штоками, сочлененными через подшипники с шейками коленчатого вала, коленвал имеет две шейки, расположенные по одной оси. Находящиеся в разных концах коленвала шейки смещены на 1/4 хода поршня от оси вращения коленвала и выступают с разных сторон за пределы рабочего вала, где они сочленены через подшипники со штоками. Во вращающейся шейке коленвала имеется шестерня с диаметром 1/2 хода поршня, которая связана с коронной шестерней с диаметром, равным ходу поршня, а коленвал закреплен через подшипники со смещением на 1/4 хода поршня в рабочем валу. Of the whole set of known technical solutions, the closest prototype in terms of its totality of features and significance is an internal combustion engine with a rodless mechanism (see patent WO 92/17694, IPC F 02 B 75/32, IPC F 16 / H 21/30, publ. 15.10 .1992), in which cylinders with pistons are located in pairs from different sides of the piston, these pistons are rigidly interconnected by rods coupled through bearings with the necks of the crankshaft, the crankshaft has two necks located on the same axis. The necks located at different ends of the crankshaft are offset by 1/4 of the piston stroke from the axis of rotation of the crankshaft and protrude from different sides beyond the working shaft, where they are articulated through bearings with rods. In the rotating neck of the crankshaft there is a gear with a diameter of 1/2 of the piston stroke, which is connected to the ring gear with a diameter equal to the stroke of the piston, and the crankshaft is fixed through bearings with an offset of 1/4 of the piston stroke in the working shaft.

Недостатком аналогов и прототипа является то, что рабочий вал состоит из двух частей и ориентируется между собой за счет объединительного вала или пазов с накладками, которые недостаточно жестко ориентируют части рабочего вала, что приводит к повышенным вибрациям частей механизма и вызывает повышенный их износ. The disadvantage of analogues and prototype is that the working shaft consists of two parts and is oriented between each other due to the unification shaft or grooves with overlays that are not rigid enough to orient the parts of the working shaft, which leads to increased vibrations of the parts of the mechanism and causes increased wear.

Технической задачей изобретения является снижение габаритных размеров при увеличении индикаторной мощности с улучшением жесткости механизма, увеличение ресурса работы двигателя и его КПД. An object of the invention is to reduce the overall dimensions while increasing the indicator power with improving the rigidity of the mechanism, increasing the life of the engine and its efficiency.

Поставленная цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом, содержащем цилиндры с корпусом, в котором размещен составной вал, включающий рабочий коленвал и расположенные на противолежащих его сторонах эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками, которые смещены от оси на 1/4 хода поршня и вращаются с коленвалом в разные стороны, при этом эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками имеют шестерни с диаметром, равным 1/2 хода поршня, зацепленные с закрепленными в корпусе коронными шестернями, имеющими диаметр, равный ходу поршня, а штоки поршней жестко связаны с поршнями и сочленены с эксцентрическими втулками, согласно изобретению коленвал выполнен цельным и имеет две противолежащие шейки, смещенные в разные стороны от оси на 1/4 хода поршня, эксцентрические втулки с эксцентрическими шейками установлены на шейках коленвала через подшипники, при этом шестерни эксцентрических шеек жестко закреплены с двух сторон от эксцентрической втулки. This goal is achieved by the fact that in an internal combustion engine with a rodless mechanism containing cylinders with a housing in which a composite shaft is located, including a working crankshaft and eccentric bushings located on opposite sides of it, with eccentric journals that are offset from the axis by 1/4 of the piston stroke and rotate with the crankshaft in different directions, while the eccentric bushings with eccentric necks have gears with a diameter equal to 1/2 of the piston stroke, engaged with the crown gear fixed in the housing and having a diameter equal to the stroke of the piston, and the piston rods are rigidly connected with the pistons and articulated with eccentric bushings, according to the invention the crankshaft is made integral and has two opposing necks, shifted in different directions from the axis by 1/4 of the piston stroke, eccentric bushings with eccentric the necks are mounted on the necks of the crankshaft through the bearings, while the gears of the eccentric necks are rigidly fixed on both sides of the eccentric sleeve.

Поставленная цель достигается также тем, что между штоками на рабочем коленвалу может быть участок с зубчатым венцом наружного зацепления для отбора мощности. This goal is also achieved by the fact that between the rods on the working crankshaft there may be a section with a gear rim of external gearing for power take-off.

Поставленная цель достигается также тем, что часть венца на рабочем коленвалу может иметь зацепление с шестерней, имеющей выступающие кольца с управляющими кулачками газораспределения двигателя. This goal is also achieved by the fact that part of the crown on the working crankshaft can be engaged with a gear having protruding rings with engine control cams.

Поставленная цель достигается также тем, что в планетарном механизме привода шестерни с кулачками газораспределения могут иметься выходные валы с подшипниками для приводов масляного насоса, насоса охлаждающей жидкости, генератора, компрессора кондиционера. This goal is also achieved by the fact that in the planetary gear drive mechanism with gas distribution cams, there may be output shafts with bearings for the drives of the oil pump, coolant pump, generator, air conditioning compressor.

Применение двух коронных и двух планетарных шестерен на каждом штоке с поршнями уменьшит скручивающие нагрузки, позволит равномерно распределить их на шестерни и шейки коленвала. Использование двух поршней на одном штоке противодействуют вращательному моменту от трения скольжения подшипника штока. Возможно изготовление коленвала цельным, тогда эксцентрическая втулка изготавливается разъемной. The use of two crown gears and two planetary gears on each piston rod will reduce torsional loads, and will evenly distribute them to the gears and crankshaft journals. The use of two pistons on the same rod counteract the torque from the sliding friction of the rod bearing. It is possible to manufacture the crankshaft whole, then the eccentric sleeve is made detachable.

Газораспределительная коронная шестерня может иметь в зацеплении до четырех паразитных шестерен привода, которые имеют выходные валы для приводов собственных нужд двигателя; генератор, масляный насос, насос охлаждающей жидкости, привод лебедки, кондиционера и другие. У валов на выходе обороты в два раза больше, чем у двигателя, что дает преимущество за счет повышения производительности. Уменьшаются габаритные размеры и металлоемкость приводных механизмов и узлов. Есть возможность установки муфты сцепления с наружным зацеплением. The gas distribution ring gear can mesh up to four spurious gears of the drive, which have output shafts for the drives for their own needs of the engine; generator, oil pump, coolant pump, winch drive, air conditioning and others. The output shafts have twice the speed than the engine, which gives an advantage due to increased productivity. The overall dimensions and metal consumption of the drive mechanisms and components are reduced. It is possible to install a clutch with external gearing.

Коленвал вращается в одну сторону, а газораспределительная коронная шестерня в другую. Это дает инерционный баланс, особенно в моменты резкого изменения мощности или оборотов двигателя. The crankshaft rotates in one direction, and the gas distribution ring gear in the other. This gives an inertial balance, especially during moments of sudden changes in power or engine speed.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлен продольный разрез двигателя внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом;
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1;
на фиг.4 - разрез В-В на фиг.2, на уровне выходного вала отбора мощности;
на фиг.5 - газораспределительная коронная шестерня;
на фиг.6 - газораспределительная коронная шестерня, разрез Г-Г на фиг.5;
на фиг.7 - кинематическая схема двигателя;
на фиг.8 - кинематическая схема двигателя, разрез Д-Д на фиг.7;
на фиг.9 - кинематическая схема двигателя, разрез Е-Е на фиг.7, на уровне вала отбора мощности;
на фиг. 10 - цикл поэтапного движения бесшатунного механизма двигателя внутреннего сгорания;
на фиг. 11 - диаграмма газораспределения за один оборот вала двигателя без углов опережения.The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings, where
figure 1 presents a longitudinal section of an internal combustion engine with a rodless mechanism;
figure 2 is a section aa in figure 1;
figure 3 is a section bB in figure 1;
figure 4 is a section bb in figure 2, at the level of the output shaft of the power take-off;
figure 5 - gas distribution ring gear;
figure 6 - gas distribution ring gear, section GG in figure 5;
7 is a kinematic diagram of the engine;
on Fig - kinematic diagram of the engine, a section DD in Fig.7;
figure 9 is a kinematic diagram of the engine, a cross-section EE in figure 7, at the level of the power take-off shaft;
in FIG. 10 - a cycle of phased movement of the rodless mechanism of an internal combustion engine;
in FIG. 11 is a gas distribution diagram for one revolution of a motor shaft without leading angles.

Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом содержит цилиндры 1, которые закреплены в корпусе 3 двигателя, расположены противоположно друг другу с разных сторон коленвала 2 и противоположно со сдвигом относительно главной оси вращения. В корпусе размещен коленвал 2 на подшипниках с шейками, расположенными в разных концах и напротив друг друга относительно главной оси вращения со смещением на 1/4 хода поршня, совпадающими с разными парами цилиндров. Шейки расположены противоположно. В шейках коленвала установлены эксцентрические втулки 4 через подшипники. Шейки коленвала и шейки эксцентрической втулки имеют смещение от центра оси на 1/4 хода поршня. У эксцентрической втулки 4 имеются шестерни 5 с диаметром 1/2 хода поршня, закрепленные жестко с двух сторон от шейки эксцентрической втулки и зацепленные с коронными шестернями 6 с диаметром, равным ходу поршня, которые закреплены в корпусе 3 по главной оси вращения коленвала. An internal combustion engine with a rodless mechanism comprises cylinders 1, which are fixed in the engine housing 3, are located opposite each other on different sides of the crankshaft 2 and opposite with a shift relative to the main axis of rotation. The crankshaft 2 is placed in the housing on bearings with necks located at different ends and opposite each other with respect to the main axis of rotation with an offset of 1/4 of the piston stroke, coinciding with different pairs of cylinders. The necks are located opposite. In the necks of the crankshaft mounted eccentric bushings 4 through the bearings. The crankshaft journals and the eccentric bush necks are offset from the center of the axis by 1/4 of the piston stroke. The eccentric sleeve 4 has gears 5 with a diameter of 1/2 of the piston stroke, fixed rigidly on both sides of the neck of the eccentric sleeve and engaged with ring gears 6 with a diameter equal to the stroke of the piston, which are fixed in the housing 3 along the main axis of rotation of the crankshaft.

Шток 7 жестко связывает между собой два поршня 8 в противоположно расположенных цилиндрах. В середине шток связан через подшипник 9 с шейкой эксцентрической втулки 4, имеющей диаметр, больший, чем диаметр цилиндра, поэтому в корпусе 3 имеются специальные пазы 10. В двигателе для отбора мощности от коленвала 2 используется середина коленвала: через зубчатую передачу на коленвале, шестерню отбора мощности 11, вал выхода 12 - на коробку переключения передач или другую нагрузку. The rod 7 rigidly connects two pistons 8 in opposing cylinders. In the middle, the rod is connected through the bearing 9 to the neck of the eccentric sleeve 4, which has a diameter larger than the diameter of the cylinder; therefore, there are special grooves in the housing 3. power take-off 11, output shaft 12 - to the gearbox or other load.

Имеется газораспределительная коронная шестерня 13, которая имеет четыре газораспределительных кольца с кулачками 14 с технологически разделительными проточками и пятую вставную шестерню 15 наружного зацепления для привода двигателя от стартера. Газораспределительная коронная шестерня 13 с зубьями внутреннего зацепления 16 через шестерню 17 связана с шестерней 18, жестко закрепленной с коленвалом 2. Газораспределительная коронная шестерня 13 закреплена в корпусе через подшипники и вращается в обратном направлении, с передаточным отношением 1/2 с уменьшением от коленвала 2. Вставная шестерня 18 находится в зацеплении с шестерней 17. На валу установлена также цельная шестерня 19 для отбора мощности. There is a gas distribution ring gear 13, which has four gas distribution rings with cams 14 with technologically dividing grooves and a fifth external gear gear 15 for engaging the engine from the starter. The gas distribution ring gear 13 with internal gearing teeth 16 is connected through the gear 17 to the gear 18, which is rigidly fixed to the crankshaft 2. The gas distribution ring gear 13 is fixed in the housing through bearings and rotates in the opposite direction, with a gear ratio 1/2 with decreasing from the crankshaft 2. The insertion gear 18 is engaged with the gear 17. An integral gear 19 for power take-off is also mounted on the shaft.

Шестерни 17 передают вращение газораспределительной коронной шестерне 13 от коленвала 2. Имеются выходы для привода от каждой шестерни 17 через валы 20 с увеличением передаточного отношения 2/1 по отношению к коленвалу и изменением направления вращения. Gears 17 transmit the rotation of the gas distribution ring gear 13 from the crankshaft 2. There are outputs for the drive from each gear 17 through the shafts 20 with an increase in the gear ratio 2/1 with respect to the crankshaft and a change in the direction of rotation.

Устройство работает следующим образом. С целью увеличения ресурса работы и КПД, уменьшения габаритных размеров, снижения вибраций и износа возвратно-поступательное движение поршней 8 преобразуется во вращательное движение коленвала 2. Шестерни 5 входят в зацепление с коронными шестернями 6 с диаметром, равным ходу поршня, установлены симметрично оси коленвала 2 и закреплены в корпусе жестко, неподвижно. Они задают определенные условия для осуществления работы бесшатунного механизма. The device operates as follows. In order to increase the service life and efficiency, reduce overall dimensions, reduce vibrations and wear, the reciprocating movement of the pistons 8 is converted into rotational motion of the crankshaft 2. Gears 5 are engaged with ring gears 6 with a diameter equal to the stroke of the piston, installed symmetrically to the axis of the crankshaft 2 and fixed in the body rigidly, motionless. They set certain conditions for the implementation of the rodless mechanism.

Как показано на фиг.3 и 10, коленвал вращается против часовой стрелки, а эксцентрическая втулка 4 по часовой за счет планетарной шестерни 5 и коронной шестерни 6. As shown in figures 3 and 10, the crankshaft rotates counterclockwise, and the eccentric sleeve 4 clockwise due to the planetary gear 5 and the ring gear 6.

Эксцентрическая втулка 4 с помощью шестерни 5 вращается как водило со смещением оси на 1/4 хода поршня. The eccentric sleeve 4 with the help of gear 5 rotates as a carrier with an axis offset of 1/4 of the piston stroke.

Таким образом, за счет вращения коленвала 2 и эксцентрической втулки 4 в разные стороны они складываются до середины хода поршня I-II. Thus, due to the rotation of the crankshaft 2 and the eccentric sleeve 4 in different directions, they are folded up to the middle of the piston stroke I-II.

Потом раскладываются до другого края хода поршня II-III. Then they are laid out to the other end of the piston stroke II-III.

И обратно складываются, прокрутившись вокруг оси коленвала 2 также до середины III-IV. And they fold back, scrolling around the axis of the crankshaft 2 also to the middle of III-IV.

Потом раскладываются до другого края, и так каждый шток 7 движется возвратно-поступательно IV-I. Then they are laid out to the other edge, and so each rod 7 moves back and forth IV-I.

Таким образом, эксцентрическая втулка 4 совершает в обратном направлении круговое движение со смещением оси на 1/4 хода поршня, а коленвал 2 крутится в другом направлении вокруг основной оси с шейками со смещением оси на 1/4 хода поршня. Thus, the eccentric sleeve 4 performs a circular motion in the opposite direction with an axis offset of 1/4 of the piston stroke, and the crankshaft 2 rotates in the other direction around the main axis with necks with an axis offset of 1/4 of the piston stroke.

Газораспределительная коронная шестерня 13 вращается по часовой стрелке за счет шестерен 17, которые связаны с шестерней 18, закрепленной в коленвале 2. Поэтому коленвал вращается против часовой стрелки и наоборот вращается по часовой стрелке газораспределительная коронная шестерня 13 с передаточным отношением 1/2 к коленвалу 2, как и положено распределительным валам двигателей внутреннего сгорания. The gas distribution ring gear 13 rotates clockwise due to gears 17 that are connected to the gear 18 fixed to the crankshaft 2. Therefore, the crankshaft rotates counterclockwise and vice versa rotates the gas distribution ring gear 13 with a gear ratio 1/2 to crankshaft 2, as befits the camshafts of internal combustion engines.

Если рассмотреть газораспределение четырехпоршневого двигателя с противолежащими цилиндрами по краям коленвала, напротив шеек с порядком работы поршней или камер расширения, I; II; III; IV, которые расположены как бы по кругу (фиг. 7), то достаточно четырех газораспределительных колец с кулачками 14 с разделительными технологическими проточками для полного газораспределения в клапанных механизмах (см. диаграмму газораспределения фиг.11). За счет противоположности рабочих камер в двигателе одно кольцо с кулачком выполняет функции сразу для двух выхлопных клапанов противолежащих камер расширения двигателя или для двух всасывающих клапанов противолежащих камер расширения. If we consider the gas distribution of a four-piston engine with opposing cylinders along the edges of the crankshaft, opposite the necks with the order of operation of the pistons or expansion chambers, I; II; III; IV, which are arranged as if in a circle (Fig. 7), then four gas distribution rings with cams 14 with dividing technological grooves are enough for complete gas distribution in valve mechanisms (see the gas distribution diagram of Fig. 11). Due to the opposition of the working chambers in the engine, one ring with a cam performs functions for two exhaust valves of opposite expansion chambers of the engine or for two suction valves of opposite expansion chambers at once.

Claims

1. An internal combustion engine with conrod-free mechanism, comprising a cylinder housing in which is placed a composite shaft comprising a working crankshaft and disposed on opposite sides thereof eccentric sleeve with eccentric journals which are offset from the axis on the ^_fourth stroke of the piston to the crankshaft and rotate in different sides, wherein the eccentric sleeve with eccentric journals have gears with a diameter equal to ^_half the piston stroke, the engagement with the fixed ring gears in the housing, having a diameter equal to the course Porsche nya, and the piston rods are rigidly connected with the pistons and coupled to the eccentric bushing, characterized in that the crankshaft is made integral and has two opposing collar, offset at different sides of the axis at ^_1/4 stroke, eccentric sleeve with eccentric journals mounted on the journals of the crankshaft through the bearings, while the gears of the eccentric necks are rigidly fixed on both sides of the eccentric sleeve.

2. The engine according to claim 1, characterized in that between the rods on the working crankshaft there is a section with a ring gear for external power take-off.

3. The engine according to any one of claims 1 and 2, characterized in that a part of the crown on the working crankshaft is engaged with a gear having protruding rings with engine control cams.

4. The engine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in the planetary gear mechanism of the gear with gas distribution cams there are output shafts with bearings for the drives of the oil pump, coolant pump, generator, air conditioning compressor.