Поршневий безшатунний двигун

1. Поршневий безшатунний двигун, у якому поршні протилежних циліндрів зв'язані спільною рамною штангою, в середній частині якої розміщена опора кулісного механізму, що перетворює зворотно-поступальне переміщення поршнів, за допомогою повзуна, у обертання вала, повзун 3 70929 4 середній частині якого зроблений круглий отвір переміщуваного в опорі повзуна, який охоплює для встановлення планшайби, розміщена на ексмотилеву шийку кривошипу, причому повздовжня центричній шийці валу двигуна, вісь якого послідовісь шийки кривошипа перпендикулярна вісі рамвно перетинає під прямим кутом вісі обох пар циної штанги, відрізняється тим, що опора кулісного ліндрів та, при роботі двигуна, зворотномеханізму виконана у вигляді прямокутного гнізда, поступальне переміщення поршнів перетворюєтьв якому встановлюється змінний модуль з спрямося у обертальний рух валу, який має зміщені вуючим каналом, цим досягається можливість змівздовж вісі ексцентричні шийки. Спільні ознаки ни спрямовуючого каналу, покращується його репоршні із скороченою юбкою, об'єднані між собою монтоздатність. загальним жорстким штоком. 2. Поставлене завдання розв'язується також Перевага - у двигуні відсутній багатоколінчатим, що поршневий безшатунний двигун містить стий вал, знижене тертя поршнів об стінки змінний модуль, вісь спрямовуючого конала якого циліндрів. розташована під кутом & до горизонтальної вісі Недоліки - кінематичний зв'язок поршнів з кодвигуна, що дає можливість зменшення повного лінчастим валом не гарантує зворотній зв'язок ходу поршнів при повному оберті колінчастого валу з поршнями; при збігові вісі ексцентрика валу, тобто збільшується камера стискання та планшайби, яка бере участь у перетворенні зворозменшується ступінь стискання, при цьому хід потно-поступального переміщення поршнів у оберршня S, в залежності від кута f звороту колінчастотання валу, з віссю колінчастого валу можливе го валу та к ута & на хилу вісі спрямовуючого конаобертання валу без передачі руху поршням, крім ла до горизонтальної вісі двигуна, дорівнює: того відсутня можливість зміни ступеню стискання S=2R(1-cos f) cos &; (1) без конструктивної переробки двигуна. де R - радіус мотиля; 3. Прототип РЖ-39 - Двигун внутрішнього згоf - кут звороту колінчастого валу ряння за 1985р. ст.3.39.416 переклад статті &- кут нахилу вісі спрямовуючого конала до "Zweitaktmotor ohne Pleueistnge" "KFZ", 1984p., 27, горизонтальної вісі двигуна; цим досягається - без №10 cтop. 451-453 /нім./ Безшатунний 2 тактний конструктивних переробок, переобладнання кардвигун вн утрішнього згоряння, у якому поршні в бюраторного двигуна з примусовим запаленням на парі протилежних циліндрів пов'язані, спільною дизельний з самозапаленням паливної суміші, та, рамною штангою в середній частині якої міститься навпаки, за рахунок вибору необхідного ступеню опора кулісного механізму з переміщуваним у ній стискання та підключення відповідної паливної повзуном, що охоплює шийку мотиля кривошипу, системи. за допомогою якого зворотно-поступальне пере3.Поставлене завдання розв'язується також міщення поршнів перетворюється в обертання тим, що Поршневий безшатунний двигун містить валу зняття потужності, при цьому система газозмінний модуль в якому спрямовуючий канал має розподілу двигуна аналогічна системі звичайного криволінійну, наприклад, гиперболоїдальну форму двигуна та змащуванням під тиском, двигун може з радіусом кривизни кожної гілки, в даному випадбути виконаний у 2-4-6-8-циліндрових варіантах. ку, рівним 2R, де R- радіус кривошипу, цим досяПеревага - схема дозволяє зменшити бокове гається можливість зміни швидкості руху поршня тертя поршнів об стінки циліндрів, а також зменна окремих ділянках без зміни середньої його шити шум, який виникає при перекладанні поршнів швидкості в межах одного ходу, що дозволяє пев зоні верхньої мертвої точки. Недоліки - обмежені рерозподіл часу між процесами, що відбуваються можливості зміни ступеню стискання без конструкв циліндрі., створюючи умови для підвищення котивних змін двигуна, відсутність можливості змін ефіцієнту корисної дії та зменшення ударних нашвидкості руху поршня на окремих ділянках без вантажень на елементи двигуна. змін його середньої швидкості в межах одного хоПерелік креслень об’єкту ду, неможливість перерозподілу ударних навантаФіг.1 Поршневий безшатунний двигун, за 1жень на поршень в межах одного ходу, що знижує варіантом, кінематична схема, вісь спрямовуючого моторесурс двигуна. каналу змінного модуля прямолінійна, перпендиВ основу винахіду поставлене завдання кулярна повздовжній вісі двигуна Фіг.2. Теж саме створення поршневого безшатунного двигуна внущо на Фіг.1, вигляд двигуна у повздовжньому петрішнього згоряння незвичайної схеми, яка дозворетину. Фіг. 3. Поршневий безшатунний двигун, за ляє регулювати ступінь стискання двигуна в широ2- варіантом, вісь спрямовуючого каналу змінного ких межах, змінювати швидкість руху поршня на модулю прямолінійна, розташована під кутом & до окремих ділянках ходу без зміни його середньої горизонтальної вісі двигуна. швидкості в межах одного ходу, перерозподіл удаФіг.4 - Поршневий безшатунний двигун, за 3рні навантаження на поршень та інші елементи варіантом, кінематична схема, спрямовуючий кадвигуна в межах робочого ходу, що має підвищити нал змінного модулю має криволінійний, у даному коефіцієнт корисної дії, моторесурс двигуна, знивипадку, гіперболоїдальний, вигляд Фіг.5. Теж сазити шум. 1. Поставлене завдання розв'язується ме що на Фіг.3, спрямовуючий канал має гіпербоїтак: Поршневий безшатунний двигун, у якому подальну форму, вигляд двигуна у повздовжньому ршні в парі протилежних циліндрів зв'язані спільперетину. ною рамною штангою, в середній частині якої Фіг.6а-6б. Порівняльна схема руху поршнів розміщена опора кулісного механізму, з допошатунного та безшатунного двигунів, величини могою якої зворотно-поступальне переміщення рухів Sш та Sб поршнів у різних позиціях колінчаспоршнів перетворюється у обертання колінчастого того валу відповідно для шатунного та безшатунвалу - валу зьому потужності посередництвом ного двигунів. 5 70929 6 Фіг.7а, 7б. Графіки рухів поршнів ша тунного (а) щення коефіцієнту корисної дії та зменшення та безшатунного (б) двигуниів. Фіг.8. Теж саме що ударних навантажень на елементи двигуна. на Фіг.2, вигляд двигуна у повздовжньому перетиОпис двигуна у динаміці. ну, у плоскості С-С Запропоновано поршневий безшатунний двиПерелік позначок на кресленнях гун вн утрішнього згорання незвичайної схе1 - поршень, 2 - циліндр, 3 - рамна штанга, 4 ми(Фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6а, 6б, 7а, 7б, 8 в якому поршні опора кулісного механізму, 5 - вал зняття потужно1 переміщуються у співвісно встановленій парі сті, 6- повзун, 7- мотилева шийка, 8- кривошип, 9протилежних циліндрів 2, жорстко об'єднані між вісь мотилевій шийки, 10 - повздовжня вісь двигусобою рамною штангою 3, в середній частині якої на, 11 - змінний модуль, 12 - спрямовуючий канал мається опора кулісного механізму 4, яка перетвоповзуна, 13 - горизонтальна вісь двигуна. 14 рює зворотно-поступальне переміщення поршнів 1 спрямовувачи рамної штанги, 15 - картер, 16 - віку обертання валу зняття потужності 5 посередницна газорозподілу, 17 - ролики катання, 18 - підшитвом перемішуваного в опорі 4 повзуна 6, який пники, 19 - гніздо змінного модулю, 20 - повздовжохоплює мотилеву шийку 7 кривошипу 8, причому ня вісь спрямовуючого каналу. вісь 9 шийки 7 кривошипу 8 перпендикулярна вісі Опис объекта в статиці. 10 двигуна, який відрізняється тим, що опора куліНа Фіг.1-2 показано запропонований поршнесного механізму 4 виконана у вигляді прямокутновий безшатунний двигун незвичайної схеми, який го гнізда 19, в якому встановлюється змінний момістить поршні 1 в парі протилежних циліндрів 2, дуль 11 із спрямовуючим каналом 12, всередині пов'язані спільною рамною штангою 3, в середній якого переміщується повзун 6, що бере участь у частині якої розташована опора кулісного механідвох р уха х: у відносному - по відношенню до зму 4, яка перетворює зворотно-поступальне песпрямовуючого каналу 12 - в ньому повзун перереміщення поршнів 1 у обертання валу зняття поміщується з крайнього лівого положення у крайнє тужності 5 посередництвом переміщуваного в праве положення та навпаки, і у переносному опорі 4 повзуна 6 , який охоплює мотилеву шийку разом з опорою 4 /і поршнями 1/ з крайнього ниж7 кривошипу 8, причому вісь 9 шийки 7 кривошипа нього у крайнє вище положення, відповідним ниж8 перпендикулярна вісі 10 двигуна, який відрізняньої мертвої точки та верхньої мертвої точки поється тим, що опора кулісного механізму 4 виконаршнів 1. Складання зазначених рухів повзуна 6 на у вигляді прямокутного гнізда 19, у якому встастановлять абсолютну траєкторію руху мотилевої новлюється змінний модуль 11 з спрямовуючим шийки 7 кривошипу - коло. Таким чином зворотноканалом 12, вісь 20 якого перпендикулярна до вісі поступальне переміщення поршнів 1 перетворю10 двигуна, всередині якого переміщується повзун ється в обертання валу зняття потужності 5. 6, який охоплює шийку 7 кривошипа 8; цим досягаНа Фіг.3 спрямовуючий канал 12 змінного моється можливість зміни спрямовуючого каналу, дулю 11 має нахил до горизонтальної вісі 13 під покращується його ремонтоздатність. кутом &. В цьому випадку поршень 1 досягає верНа Фіг.3 показано двигун за 2-им варіантом, хню мертву точку, коли кривошип 8 буде перпенспрямовуючий канал 12 , якого розташовано під дикулярний вісі спрямовуючого каналу 12, внаслікутом & до горизонтальної вісі двигуна 13, що дає док цього, повний хід поршнів 1 буде дорівнювати можливість зменшення повного ходу поршнів 1 S=2R(1-cos f) cos &; (1) при повному оберті валу зняття потужності 5 тобто де R - радіус мотиля; збільшується камера стискання та зменшується f - кут звороту колінчастого валу ступінь стискання, при цьому хід поршня S в зале& - кут нахилу вісі спрямовуючого конала до жності від кута f звороту колінчастого валу та кута горизонтальної вісі двигуна; Зміна величини ходу & нахилу вісі спрямовуючого конала до горизонтаS поршня 1 шляхом заміни модуля 11 дозволяє льної вісі двигуна, дорівнює: регулювати ступінь стискання двигуна до самого S=2R(1-cos f) cos &; (1) переобладнання його з карбюраторного на дизеде R - радіус мотиля; льний з підключенням відповідних паливних сисf - кут звороту колінчастого валу тем. & - кут нахилу вісі спрямовуючого конала до На Фіг.4, 5 спрямовуючий канал 12 змінного горизонтальної вісі двигуна; цим досягається: модуля 11 має гіперболоїдальну форму з радіусом без конструктивних переробок, переобладнанкривизни кожної гілки рівним 2R. ня карбюраторного двигуна з примусовим запаУ запропонованому 3-му варіанті хід S поршню ленням на дизельний з самозапаленням паливної 1 дорівнює 2R. При досягненні поршнем 1 верхсуміші, та, навпаки, за рахунок вибору необхідного ньої мертвої точки повзун знаходиться в середині ступеню стискання та підключення відповідної паспрямовуючого каналу 12, відповідно кут f повороливної системи. На Фіг.4, 5 показано двигун за 3-ім ту кривошипа 9 дорівнює нулю. Прийнявши дане варіантом в якому змінний модуль 11 має спрямоположення поршня за початок робочого ходу, на вуючий канал 12 криволінійної, в даному випадку, початку руху поршня 1 униз, коли його швидкість гіперпоїдальної форми з радіусом кривизни кожної відносно мала відбувається вибухоподібне спалагілки, в даному випадку, 2R, де R- радіус мотиля, хування паливної суміші і, відповідно, на поцим досягається можливість зміни швидкості руху ршень діє вибуховий удар. При класичній шатунпоршнів 1 на окремих ділянках без зміни середньої но-поршневий кінематичній схемі двигуна їхньої швидкості в межах одного ходу, що дозвовнутрішнього згоряння, швидкість V поршня 1 ляє перерозподіл часу між процесами, що відбужорстко пов'язана з кутом f повороту кривошиваються в циліндрі., створюючи умови для підвипа 8 рівнянням 7 70929 8 V=W R sin f (2) S=2R(1-cos f) cos &; (1) де W- кутова швидкість колінчастого валу, де R - радіус мотиля ; R - радіус мотиля; f - кут звороту колінчастого валу що примушує поршень витримувати великі & - кут нахилу вісі спрямовуючого конала до ударні навантаження. горизонтальної вісі двигуна; Гіперболоїдальний спрямовуючий канал 12 що дозволяє, без конструктивних переробок, дозволяє поршню 1 на початку ходу, при куті f попереобладнання карбюраторного двигуна з привороту кривошипу 8, мати більшу швидкість мусовим запаленням на дизельний з самозапа/порівняно з формулою (1) оскільки при куті f поленням паливної суміші, та, навпаки, за рахунок вибору необхідного ступеню стискання та підклюршень переміщується на величину Dh більше чення відповідної паливної системи. (Фіг.4, Фіг.6а, 6б.). Прискорений рух поршня 1 триЗа 3-м варіантом спрямовуючий канал 12 ває до переміщення повзуна 6 у крайнє праве положення спрямовуючого каналу 8, при цьому він змінного модуля 11 має гіперболоїдальну форму з радіусом кривизни кожної гілки рівним 2R де R(поршень) переміщується від верхньої мертвої радіус кривошипа. На Фіг.4 показано, що кривошип точки, на відстань S/2 + Dh, де Dh - прирощення 8 не з'єднаний з спрямовуючим каналом 12, при ходу за рахунок кривизни спрямовуючого каналу цьому спрямовуючий канал 12 разом з штангою 3 12. З цього моменту повзун 6 починає переміщута поршнем 1 знаходяться у верхньому крайньому ватися у зворотну сторону спрямовуючого каналу положенні, а кривошип 9 повернутий від верхньої 12 та його швидкість буде уповільненою згідно з мертвої точки на кут f. Виразивши відрізок BN чеформулою (3). При досягненні поршнем 1 нижньої рез відомі елементи схеми можна визначити пемертвої точки повзун 6 повертається у середнє реміщення поршня 1 при даному положенні криположення спрямовуючого каналу 12. Зміна швидвошипу 8, якщо б останній був зв'язаний з кості поршня при зворотному його ходові симетриспрямовуючим каналом 12. Визначення залежносчна швидкості прямого ходу. Кривизна спрямовуюті величини переміщення поршня DS від кута f почого каналу може бути вибрана такою, яка вороту кривошипу R для варіанту з гіперболоїдамаксимально задовольняє умовам підвищення льним спрямовуючим каналом з радіусом коефіцієнту корисної дії двигуна. Поршневий безкривизни кожної гілки рівним 2 R. шатунний двигун, приклад конкретного виконання. Запропоновано поршневий безшатунний двиDS - величина переміщення поршня від верхгун вн утрішнього згоряння незвичайної схемі з ньої мертвої точки поршнями 1 в парі протилежних циліндрів 2, зв'яDs - складова переміщення поршня, яка залезаних спільної рамною штангою 3, розташованого, жить від радіусу кривошипу R та від кута f звороту відповідно до технічних умов, з горизонтальним чи колінчастого валу вертикальним напрямом вісі волу зняття потужноDh- складова переміщення поршня, яка залесті, для його використання на рухомих транспортжить від кривизни спрямовуючого каналу з радіуних засобах, на малих суднах. Двигун може бути в сом 2 R; 2-х , 4-х, 6-ти, 8-ми циліндровим виконанні з одним f- кут повороту кривошипа від верхньої мертвої коліном (2, 4 циліндри) чи двома (6, 8 циліндрів) точки колінами колінчастого валу за 3-мя варіантами. R - радіус кривошипу; За 1 варіантом - опора кулісного механізму 4 в О - вісь колінчастого валу-валу зняття потужсередній частині містить змінний модуль 11 з ності; спрямовуючим каналом 12, вісь 20 якого перпенО1 - центр кривизни правої гілки гіперболоїдадикулярна до вісі 10 двигуна штанги 3, всередині льного спрямовуючого каналу. якого переміщується повзун 6, який охоплює ший(3) DS=Ds+Dh; ку 7 кривошипа 8; що дозволяє зміну спрямовуюs=R-R cos f=R(1-cos f); D чого каналу, покращується його ремонтоздатність. Dh=2R-01A; За 2-им варіантом, вісь 20 спрямовуючего каналу 01A = (2R )2 - AB 2 ; AB=KN-R sin f 12, якого розташована під кутом & до горизонтальної вісі двигуна 13; цим досягається можливість зменшення повного ходу поршнів 1 при повному 01A = 4R2 - R2 sin2 ò = R 4 - sin2 ò . оберті валу зняття потужності 5 тобто збільшується камера стискання та зменшується ступінь стискання, при цьому хід поршня S дорівнює: D S= D s+ D h = R(1- cos ò ) + 2R = R 4 - sin2 ò = R[ (1 - cos ò ) + ( 2 - 4 - sin2 ò ) Продиференціювавши отриманий вираз по перемінній величині f- куту повороту колінчастого валу, можливо визначити залежність швидкості V поршня 1 від кута f повороту колінчастого валу 5 для кінематичної схеми з криволінійним спрямовуючим каналом. Вибираючи кривизну каналу можна, у певних межах, змінювати швидкість руху поршня, криволінійний спрямовуючий канал дозволяє підвищити швидкість руху поршня на початку ходу, тим самим пом'якшуючи ударне навантаження на нього, а у другій половині уповільнити його рух, даючи можливість газам віддати поршню залишок енергії і, таким чином, перенести пікові ударні навантаження на кінець процесу згорання суміші без зменшення роботи газів. Перерозподіл часу між процесами в циліндрі дозволяє оптимізувати процес сумішеутворення, згорання, викидання відпрацьованих газів і зарядки. 9 70929 10 11 Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко 70929 Підписне 12 Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601