[go: up one dir, main page]

RU2840585C1 - Conrod-free piston engine with modular shutdown of cylinders - Google Patents

Conrod-free piston engine with modular shutdown of cylinders Download PDF

Info

Publication number
RU2840585C1
RU2840585C1 RU2024133129A RU2024133129A RU2840585C1 RU 2840585 C1 RU2840585 C1 RU 2840585C1 RU 2024133129 A RU2024133129 A RU 2024133129A RU 2024133129 A RU2024133129 A RU 2024133129A RU 2840585 C1 RU2840585 C1 RU 2840585C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rod
engine
cylinder
piston
linkage
Prior art date
Application number
RU2024133129A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Иванович Мищенко
Аркадий Васильевич Химченко
Владимир Леонидович Супрун
Валерий Васильевич Быков
Александр Игоревич Петров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное Учреждение высшего образования "Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I" (ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное Учреждение высшего образования "Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I" (ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное Учреждение высшего образования "Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I" (ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2840585C1 publication Critical patent/RU2840585C1/en

Links

Abstract

FIELD: propulsion engineering.
SUBSTANCE: conrod-free piston engine with modular shutdown of cylinders comprises stationary crankcase (38) with cylinder (1) mounted thereon, two parallel crankshafts (27) located on two sides of cylinder (1), and piston (2) located in cylinder (1). Piston (2) is coupled via rod (3) with link provided with top and bottom guides (22) and (26) with bearing surfaces located in crankshaft (27) rotation plane perpendicular to axis of rod (3). There are at least two support elements made in the form of semi-rollers (23) or (36) installed on each crank-type neck (24) or (35) of crankshafts (27) next to each other. One semi-roller serves to roll on bearing surface of upper guide link. Second semi-roller (23) rolls on bearing surface of bottom guide link. Semi-rollers (23) and (36) are equipped with semi-roller turning mechanism to roll without slipping. Semi-rollers turning mechanism is composed of rack-and-pinion spur gear with semi-ring (31) or (34) rigidly engaged with semi-roller (23) or (36) while toothed racks are rigidly secured to appropriate guide link. Engine additionally includes mechanism of modular disconnection of cylinders (1) by stopping piston (2), which consists of rod locking assembly serving for connection and disconnection of rod (3) with link. Rod (3) has constant kinematic connection to piston (2), and control unit of rod (3) locking is connected to engine control unit.
EFFECT: higher fuel efficiency and reduced amount of unburnt hydrocarbons CH at low loads.
13 cl, 25 dwg

Description

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, а более конкретно к бесшатунному двигателю с отключением части цилиндров на малых нагрузках.The invention relates to an internal combustion engine, and more specifically to a connecting rod-less engine with the deactivation of part of the cylinders at low loads.

РЕЗЮМЕRESUME

Известно, что как в дизелях, так и бензиновых двигателях по мере снижения нагрузки топливная экономичность ухудшается. Основные причины этого явления заключаются в том, что на частичных режимах работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) снижается механический КПД, и ухудшаются параметры рабочего процесса, а именно уменьшаются давление и температура в процессах сжатия и сгорания, уменьшается полезная работа цикла, увеличиваются потери на газообмен (в бензиновом двигателе) и т.д.It is known that in both diesel and gasoline engines, as the load decreases, fuel efficiency deteriorates. The main reasons for this phenomenon are that in partial modes of operation of the internal combustion engine (ICE), the mechanical efficiency decreases, and the parameters of the working process deteriorate, namely, the pressure and temperature in the compression and combustion processes decrease, the useful work of the cycle decreases, gas exchange losses increase (in a gasoline engine), etc.

Среди известных многочисленных способов и конструктивных решений ДВС, направленных на дальнейшее повышение КПД и, соответственно, снижение расхода топлива на частичных нагрузках выделяются: регулирование степени сжатия, регулирование фаз газораспределения (циклы Аткинсона и Миллера), изменение кинематики двигателя, отключение части работающих цилиндров и другие.Among the numerous known methods and design solutions for internal combustion engines aimed at further increasing efficiency and, accordingly, reducing fuel consumption at partial loads, the following stand out: regulation of the compression ratio, regulation of valve timing (Atkinson and Miller cycles), changing the engine kinematics, disabling some of the working cylinders, and others.

Анализ исследований показывает, что технология отключения цилиндров (ОЦ) - один из наиболее перспективных путей повышения экономичности двигателя на режимах малых нагрузок и холостого хода. В настоящее время этот метод используется в системах регулирования работы двигателей многих автомобилей: Chrysler, Ford, Mercedes, Volkswagen, Honda, Toyota и других.Analysis of research shows that cylinder deactivation (CD) technology is one of the most promising ways to improve engine efficiency at low loads and idle speeds. This method is currently used in engine control systems of many cars: Chrysler, Ford, Mercedes, Volkswagen, Honda, Toyota and others.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИPRIOR ART

Имеется множество технических решений технологии ОЦ путем прекращения подачи топлива, например, по патентам (Патент США № 4231338, US. CL. 123/568, Int. CL.3 F02М 25/06, опубл. 1980, Патент США № 4204514, US. CL. 123/198, Int. CL. F02D 17/00, опубл. 1980). Экономичность двигателя с таким ОЦ не превышает 10%. Основными причинами сравнительно низкой эффективности является то, что при отключении подачи топлива поршни в отключенных цилиндрах продолжают совершать поступательное движение из-за чего потери на трение остаются практически на том же уровне. Кроме того, механизм газораспределения (МГР) в этом случае находится в рабочем состоянии, что приводит к потерям на газообмен и потерям на привод самого МГР.There are many technical solutions for the OC technology by stopping the fuel supply, for example, according to patents (US Patent No. 4231338, US. CL. 123/568, Int. CL.3F02M 25/06, published 1980, US Patent No. 4204514, US. CL. 123/198, Int. CL. F02D 17/00, published 1980). The efficiency of an engine with such an OC does not exceed 10%. The main reasons for the relatively low efficiency are that when the fuel supply is switched off, the pistons in the switched-off cylinders continue to move forward, due to which friction losses remain practically at the same level. In addition, the valve timing mechanism (VTM) in this case is in working order, which leads to losses due to gas exchange and losses due to the drive of the VTM itself.

Известны двигатели с остановкой клапанов и удержанием их в закрытом положении, например, по патентам (Заявка Японии № 341646, МКИ5 F01L 13/00. опубл. 1991, Патент США № 7317984 В2, US. CL. 701/112; 123/320, Int. CL.: G061 19/00; F02B 33/00, опубл. 2008). В этом случае газообмен отсутствует, благодаря чему устраняются насосные потери и несколько уменьшаются потери на трение в неработающих цилиндрах из-за уменьшения среднего давления в них. При этом повышается экономичность работы двигателя и обеспечивается снижение расхода топлива на малых нагрузках и на холостом ходу до 20%.Engines with valve stop and retention in the closed position are known, for example, according to patents (Japanese Application No. 341646, MKI5 F01L 13/00. Published 1991, US Patent No. 7317984 B2, US. CL. 701/112; 123/320, Int. CL.: G061 19/00; F02B 33/00, Published 2008). In this case, there is no gas exchange, due to which pumping losses are eliminated and friction losses in idle cylinders are somewhat reduced due to a decrease in the average pressure in them. At the same time, the efficiency of engine operation increases and fuel consumption at low loads and at idle speed is reduced by up to 20%.

Двигатели с модульным отключением цилиндров известны и описаны, например, в патентах (Патент США № 4069803, US. CL. 123/198, Int. CL.2 F02B 75/18, опубл. 1978, Патент США № 4394854, US. CL. 123/198, Int. CL. F02D 17/02, опубл. 1983). Термин «модульное» ОЦ характеризуется тем, что двигатель разделяется на несколько независимых модулей (цилиндров, секций), которые вступают в работу по мере повышения нагрузки. Модулем может быть либо в отдельности цилиндр или группа цилиндров. Пример 1. В шестицилиндровом двигателе два цилиндра (модуля) отключены и четыре цилиндра (модуля) находятся в рабочем состоянии. Пример 2. В шестицилиндровом двигателе один модуль (3 цилиндра) отключен и один модуль (3 цилиндра) - рабочий. В таких двигателях в отключенных цилиндрах поршни останавливаются полностью. Полное отсутствие в отключенных цилиндрах потерь на трение в цилиндро-поршневой группе и отсутствие потерь на газообмен (за счет остановки поршней) определяют существенное преимущество технологии модульного отключения цилиндров в сравнении с другими методами. В этом случае экономичность двигателя на малых нагрузках может достигать 40% и выше. Однако на сегодня не найдено конструкции двигателя с модульным ОЦ, пригодной для полномасштабного серийного производства. Здесь следует отметить, что двигатели с модульным ОЦ путем использования разрезного коленчатого вала, во-первых, имеют чрезвычайно сложную и ненадежную конструкцию, а также большую потребляемую энергию на систему управления. Во-вторых, в существующих модульных двигателях с кривошипно-шатунным механизмом коленчатые валы соответствующих модулей соединяются размещенной между ними муфтой, к которой предъявляют очень жесткие требования. Соединение коленчатых валов должно осуществляться за промежуток времени меньший, чем тот, который необходим для переключения передач в обычной ступенчатой коробке передач. Кроме того, работа этой муфты должна быть строго синхронизирована с работой ряда систем (питания, зажигания, газораспределения) включаемых модулей. Engines with modular cylinder deactivation are known and described, for example, in patents (US Patent No. 4,069,803, US. CL. 123/198, Int. CL.2F02B 75/18, published 1978, US Patent No. 4,394,854, US. CL. 123/198, Int. CL. F02D 17/02, published 1983). The term "modular" OC is characterized by the fact that the engine is divided into several independent modules (cylinders, sections), which come into operation as the load increases. A module can be either an individual cylinder or a group of cylinders.Example 1In a six-cylinder engine, two cylinders (modules) are switched off and four cylinders (modules) are in working order.Example 2. In a six-cylinder engine, one module (3 cylinders) is disconnected and one module (3 cylinders) is working. In such engines, the pistons in the disconnected cylinders stop completely. The complete absence of friction losses in the cylinder-piston group in the disconnected cylinders and the absence of gas exchange losses (due to the pistons stopping) determine a significant advantage of the modular cylinder disconnection technology in comparison with other methods. In this case, the engine efficiency at low loads can reach 40% and higher. However, to date, no engine design with a modular OC suitable for full-scale serial production has been found. It should be noted here that engines with a modular OC by using a split crankshaft, firstly, have an extremely complex and unreliable design, as well as high energy consumption for the control system. Secondly, in existing modular engines with a crank mechanism, the crankshafts of the corresponding modules are connected by a clutch located between them, to which very strict requirements are imposed. The connection of the crankshafts must be carried out in a time interval shorter than that required for gear shifting in a conventional stepped gearbox. In addition, the operation of this clutch must be strictly synchronized with the operation of a number of systems (power supply, ignition, valve timing) of the modules included.

Настоящее изобретение обеспечивает реализацию технологии отключения цилиндров в бесшатунном поршневом двигателе с кривошипно-кулисным механизмом (ККМ). В одном из вариантов изобретения является бесшатунный двигатель (Патент RU № 2794018 C1, МПК: F01B 9/02 (2006.1); F02B 75/32 (2006/01), опубл. 2023), принятый авторами за прототип. Этот двигатель включает в себя: неподвижный картер с установленным на нем цилиндром, два параллельных коленчатых вала, расположенных на двух сторонах цилиндра, поршень, расположенный в цилиндре и соединенный посредством штока с кулисой, имеющей верхнюю и нижнюю направляющие с опорными поверхностями, расположенные в плоскости вращения коленчатых валов перпендикулярно оси штока, по меньшей мере две опоры качения, выполненные в виде полукатков, установленных в подшипниковых узлах на кривошипной шейке коленчатого вала рядом с друг другом, один из которых служит для качения по опорной поверхности верхней направляющей кулисы, а второй полукаток - по опорной поверхности нижней направляющей кулисы. Полукатки снабжены для возможности качения без проскальзывания механизмом проворота полукатков, выполненным в виде реечной цилиндрической зубчатой передачи, у которой зубчатый элемент в виде зубчатого полукольца жестко соединен с полукатком, а зубчатая рейка жестко прикреплена к соответствующей направляющей кулисы. The present invention provides the implementation of the cylinder deactivation technology in a connecting rod-less piston engine with a crank mechanism (CRM). In one of the embodiments of the invention, a connecting rod-less engine (Patent RU No. 2794018 C1, IPC: F01B 9/02 (2006.1); F02B 75/32 (2006/01), published 2023), adopted by the authors as a prototype. This engine includes: a fixed crankcase with a cylinder mounted thereon, two parallel crankshafts located on two sides of the cylinder, a piston located in the cylinder and connected by means of a rod to a linkage having upper and lower guides with support surfaces located in the plane of rotation of the crankshafts perpendicular to the rod axis, at least two rolling supports made in the form of half-rollers installed in bearing units on the crank journal of the crankshaft next to each other, one of which serves for rolling along the support surface of the upper linkage guide, and the second half-roller - along the support surface of the lower linkage guide. The half-rollers are equipped with a mechanism for turning the half-rollers for the possibility of rolling without slipping, made in the form of a rack cylindrical gear transmission, in which a toothed element in the form of a toothed half ring is rigidly connected to the half-roller, and the toothed rack is rigidly attached to the corresponding linkage guide.

Описанный бесшатунный двигатель без ОЦ имеет на 7…10% лучшую топливную экономичность и более низкую вибрацию и шум по сравнению с традиционным ДВС с кривошипно-шатунным механизмом.The described connecting rod-less engine without an OC has 7...10% better fuel efficiency and lower vibration and noise compared to a traditional internal combustion engine with a crank mechanism.

Недостатком описанной конструкции является отсутствие в бесшатунном двигателе технологий для существенного повышения топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов на малых нагрузках двигателя, например, технологии модульного отключения цилиндров.The disadvantage of the described design is the absence in the connecting rod-less engine of technologies for significantly increasing fuel efficiency and reducing the toxicity of exhaust gases at low engine loads, for example, modular cylinder deactivation technology.

Целью предлагаемого изобретения является создание бесшатунного поршневого ДВС с существенным повышением топливной экономичности и уменьшением количества несгоревших углеводородов СН на малых нагрузках за счет модульного отключения цилиндров.The aim of the proposed invention is to create a connecting rod-less piston internal combustion engine with a significant increase in fuel efficiency and a reduction in the amount of unburned hydrocarbons CH at low loads due to modular cylinder deactivation.

Эта цель достигается в описанном бесшатунном двигателе с кривошипно-кулисным механизмом в соответствии с признаками настоящего изобретения, которые будут описаны ниже.This object is achieved in the described connecting rod-less engine with a crank-and-rocker mechanism in accordance with the features of the present invention, which will be described below.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ ESSENCE OF THE INVENTION

Отключение цилиндра осуществляется остановкой штока вместе с поршнем путем разрыва жесткой кинематической связи между штоком и кулисой.The cylinder is switched off by stopping the rod together with the piston by breaking the rigid kinematic connection between the rod and the linkage.

При модульном отключении цилиндров (МОЦ), часть цилиндров выключается из работы в условиях низкой нагрузки для уменьшения рабочего объема, увеличения эффективности рабочего цикла в работающих цилиндрах и уменьшения потерь на трение, а также исключения потерь на газообмен, что в итоге существенно повышает топливную экономичность двигателя. В условиях высокой нагрузки происходит включение цилиндров, чтобы увеличить мощность двигателя. При этом по мере увеличения нагрузки эффект топливной экономичности от ОЦ снижается и при максимальной нагрузке, когда все цилиндры работают, становится равным нулю.With modular cylinder deactivation (MCD), some cylinders are switched off under low load conditions to reduce the working volume, increase the efficiency of the working cycle in the working cylinders and reduce friction losses, as well as eliminate gas exchange losses, which ultimately significantly increases the fuel efficiency of the engine. Under high load conditions, the cylinders are switched on to increase engine power. At the same time, as the load increases, the fuel efficiency effect of the MC decreases and at maximum load, when all cylinders are working, it becomes zero.

Заявляемый бесшатунный двигатель для реализации модульного отключения цилиндров отличается от известного наличием существенного признака, а именно наличием дополнительного механизма МОЦ, включающего в себя узлы, осуществляющие в совокупности остановку поршня, то есть отключение цилиндров, в зависимости от уровня нагрузки двигателя:The claimed connecting rod-less engine for implementing modular cylinder deactivation differs from the known one by the presence of an essential feature, namely the presence of an additional MOC mechanism, which includes units that together perform piston stop, i.e. cylinder deactivation, depending on the engine load level:

-узел блокировки штока, который позволяет соединять или разъединять шток с кулисой, причем шток имеет постоянную кинематическую связь с поршнем;- a rod locking unit that allows the rod to be connected or disconnected from the linkage, with the rod having a constant kinematic connection with the piston;

- узел управления блокировкой штока, который срабатывает по команде блока управления двигателя в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов работы двигателя.- a rod lock control unit that is triggered by a command from the engine control unit depending on the engine speed and load operating modes.

Узел блокировки штока содержит: жестко закрепленный на верхней направляющей кулисы корпус, имеющий два отверстия, через которые проходит шток с возможностью поступательного и вращательного движения; расположенный в корпусе с возможностью скольжения диск, в котором выполнены перпендикулярно друг другу два сквозных соосных отверстия, в одном из которых может перемещаться шток, а в другом отверстии расположены по обе стороны штока предпочтительно две полуобоймы с возможностью линейного перемещения. The rod locking unit comprises: a housing rigidly fixed to the upper guide of the linkage, having two openings through which the rod passes with the possibility of translational and rotary movement; a disk located in the housing with the possibility of sliding, in which two through coaxial openings are made perpendicular to each other, in one of which the rod can move, and in the other opening, preferably two half-shells with the possibility of linear movement are located on both sides of the rod.

Полуобоймы имеют выемки цилиндрической формы радиусом .The half-shells have cylindrical recesses with a radius of .

В свою очередь, в нижней части штока выполнены на диаметрально противоположных сторонах такие же выемки и взаимно расположены так, что выемки в штоке и выемки в полуобоймах образуют две цилиндрические полости диаметром , в которых размещены с зазором два фиксирующих пальца диаметром , причем диаметр цилиндрической полости равен , где - отношение диаметров цилиндрической полости и фиксирующего пальца. Предпочтительно , при котором обеспечивается наибольшая несущая способность цилиндрического сочленения (Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 1. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1977. - 623 с., с. 349-350). Полуобоймы прижимаются к фиксирующим пальцам с помощью упругих элементов, например, в виде цилиндрических пружин сжатия, установленных в этих отверстиях и упирающихся своим свободным концом на внутреннюю поверхность корпуса. Шток имеет возможность углового поворота относительно оси цилиндра, чтобы разблокировать его линейное движение относительно корпуса, тем самым остановить шток с поршнем и выключить цилиндр из работы при наличии возвратно-поступательного движения кулисы. Шток имеет элемент привода для возможности осуществления углового поворота, выполненный в виде, например, по меньшей мере одной лыски на наружной поверхности штока предпочтительно длиной , где S - ход поршня. Верхняя и нижняя направляющие кулисы, а также центральная стойка кулисы имеют отверстия для возможности свободного возвратно-поступательного движения штока.In turn, in the lower part of the rod, the same recesses are made on diametrically opposite sides and are mutually arranged so that the recesses in the rod and the recesses in the half-shells form two cylindrical cavities with a diameter , in which two fixing pins with a diameter of , and the diameter of the cylindrical cavity is equal to , Where - the ratio of the diameters of the cylindrical cavity and the fixing pin. Preferably , which ensures the highest load-bearing capacity of the cylindrical joint (Orlov P.I. Design Basics. Reference and Methodological Manual in 3 Books. Book 1. 2nd Edition, Revised and Supplemented. Moscow, "Mashinostroenie", 1977. - 623 p., pp. 349-350). The half-shells are pressed against the locking pins by means of elastic elements, for example, in the form of cylindrical compression springs installed in these holes and resting with their free end on the inner surface of the housing. The rod has the ability to rotate angularly relative to the cylinder axis in order to unlock its linear movement relative to the housing, thereby stopping the rod with the piston and turning off the cylinder from operation in the presence of reciprocating motion of the linkage. The rod has a drive element for the possibility of performing angular rotation, made in the form of, for example, at least one chamfer on the outer surface of the rod, preferably of length , where S is the piston stroke. The upper and lower guides of the linkage, as well as the central pillar of the linkage, have openings to allow free reciprocating movement of the rod.

Длина пальца примерно равна диаметру штока.The length of the finger is approximately equal to the diameter of the rod.

Согласно изобретению в узле блокировки штока может быть выполнена на боковой поверхности штока по меньшей мере одна выемка, взаимодействующая с выемкой одной полуобоймы.According to the invention, in the rod locking unit, at least one recess may be made on the side surface of the rod, interacting with the recess of one half-cage.

Узел управления блокировкой штока включает в себя реверсивный гидродвигатель с ограниченным ходом и цилиндрический золотниковый распределитель, подключенный к блоку управления двигателя. Реверсивный двигатель представляет собой известный секторный моментный (силовой) гидроцилиндр, который в дальнейшем будет употребляться как «моментный гидроцилиндр». The rod lock control unit includes a reversible hydraulic motor with a limited stroke and a cylindrical spool valve connected to the engine control unit. The reversible motor is a well-known sector torque (power) hydraulic cylinder, which will be used hereinafter as a "torque hydraulic cylinder".

Моментный гидроцилиндр состоит из корпуса моментного гидроцилиндра, неподвижно и соосно установленного в нижней части цилиндра двигателя, ротора, имеющего возможность возвратно-поворотного движения в пределах 90 градусов, лопатки, расположенной с зазором в пазе ротора и прижатой к рабочей поверхности корпуса моментного гидроцилиндра с помощью упругого элемента в виде пластинчатой пружины, и поводка, служащего для кинематической связи ротора со штоком, причем поводком служит, например, штифт, расположенный в гнезде, выполненном в теле ротора, который контактирует с элементом привода в виде по меньшей мере одной лыски, выполненной вдоль наружной поверхности штока. Боковые поверхности лопатки и корпуса моментного гидроцилиндра образуют две рабочие полости А и В, подключенные через гидравлические каналы к золотниковому распределителю, содержащему корпус распределителя, два командных цилиндрических золотника с возвратными пружинами, два электромагнита и нагнетательные и сливные окна, а также масляные каналы. Командные золотники служат для управления реверсивного углового перемещения ротора, а вместе с ним и штока, путем изменения направления потока масла между полостями А и B в зависимости от уровня нагрузки двигателя.The torque hydraulic cylinder consists of a torque hydraulic cylinder body, fixedly and coaxially installed in the lower part of the engine cylinder, a rotor capable of reciprocating and rotary motion within 90 degrees, a blade located with a gap in the rotor groove and pressed against the working surface of the torque hydraulic cylinder body by means of an elastic element in the form of a leaf spring, and a driver serving for the kinematic connection of the rotor with the rod, wherein the driver is, for example, a pin located in a socket made in the rotor body, which contacts the drive element in the form of at least one chamfer made along the outer surface of the rod. The side surfaces of the blade and the torque hydraulic cylinder body form two working cavities A and B, connected through hydraulic channels to a spool valve distributor containing a distributor body, two command cylindrical spool valves with return springs, two electromagnets and discharge and drain windows, as well as oil channels. The control spools are used to control the reversible angular movement of the rotor, and along with it the rod, by changing the direction of the oil flow between cavities A and B depending on the engine load level.

ОПИСАНИЕ ФИГУРDESCRIPTION OF FIGURES

Фиг. 1 - основной вид в поперечном разрезе двигателя с модульным отключением цилиндров согласно настоящему изобретению, когда поршень находится в рабочем состоянии и занимает промежуточное положение между ВМТ и НМТ;Fig. 1 is a basic cross-sectional view of an engine with modular cylinder deactivation according to the present invention, when the piston is in the working condition and occupies an intermediate position between TDC and BDC;

Фиг. 2 - деталь «шток» с фиг. 1;Fig. 2 - detail "rod" from Fig. 1;

Фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2 с выемками под фиксирующие пальцы;Fig. 3 - section A-A in Fig. 2 with recesses for fixing pins;

Фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2 с элементом фиксации штока в виде лыски;Fig. 4 - section B-B in Fig. 2 with a rod fixing element in the form of a chamfer;

Фиг. 5 - деталь «полуобойма» с фиг. 1;Fig. 5 - detail of the “half-clip” from Fig. 1;

Фиг. 6, 7 и 8 - шток при трех угловых положениях β относительно фиксирующих пальцев: заблокированном, промежуточном и разблокированном соответственно;Fig. 6, 7 and 8 - the rod at three angular positions β relative to the locking pins: locked, intermediate and unlocked, respectively;

Фиг. 9 - деталь «диск» с фиг. 1, вид сверху;Fig. 9 - detail "disk" from Fig. 1, top view;

Фиг. 10 - разрез В-В на фиг. 9 (по взаимноперпендикулярным сквозным отверстиям);Fig. 10 - section B-B in Fig. 9 (along mutually perpendicular through holes);

Фиг. 11 - деталь «стойка центральная» с фиг. 1, продольный разрез;Fig. 11 - detail "central pillar" from Fig. 1, longitudinal section;

Фиг. 12 - вариант исполнения корпуса узла блокировки штока в виде кольца, жестко прикрепленного к кулисе и усиленного ребрами жесткости;Fig. 12 - a variant of the design of the rod locking unit housing in the form of a ring, rigidly attached to the linkage and reinforced with stiffening ribs;

Фиг. 13 - вариант исполнения корпуса узла блокировки штока в виде кольца, выполненного за одно целое с верхней направляющей кулисы;Fig. 13 - a variant of the design of the housing of the rod locking unit in the form of a ring, made in one piece with the upper guide of the linkage;

Фиг. 14 - деталь «нижняя направляющая кулисы» с фиг. 1 (с отверстием под шток);Fig. 14 - detail "lower guide of the linkage" from Fig. 1 (with a hole for the rod);

Фиг. 15 - схема узла управления блокировкой штока;Fig. 15 - diagram of the rod lock control unit;

Фиг. 16 - деталь «ротор» с фиг. 1, вид сверху;Fig. 16 - detail "rotor" from Fig. 1, top view;

Фиг. 17 - разрез Г-Г на фиг. 16;Fig. 17 - section G-G in Fig. 16;

Фиг. 18 - деталь «крышка» с фиг. 15 (с отверстием под шток);Fig. 18 - detail "cover" from Fig. 15 (with a hole for the rod);

Фиг. 19 и 20 - схема двигателя, аналогичного проиллюстрированному двигателю на фиг. 1, при остановленном поршне в верхней мертвой точке (ВМТ);Fig. 19 and 20 - diagram of an engine similar to the engine illustrated in Fig. 1, with the piston stopped at top dead center (TDC);

Фиг. 21 и 22 - то же, что на фиг. 19 и 20 при остановленном поршне в нижней мертвой точке (НМТ);Fig. 21 and 22 - the same as in Fig. 19 and 20 with the piston stopped at the bottom dead center (BDC);

Фиг. 23 – 3D-модель двух опор качения;Fig. 23 – 3D model of two rolling bearings;

Фиг. 24 – 3D-модель кулисы в сборе с узлом блокировки штока;Fig. 24 – 3D model of the gearshift linkage assembled with the rod locking unit;

Фиг. 25 – 3D-модель общего вида бесшатунного двигателя с модульным отключением цилиндров и опорными элементами в виде полукатков;Fig. 25 – 3D model of the general appearance of a connecting rod-less engine with modular cylinder deactivation and support elements in the form of semi-rollers;

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDESCRIPTION OF THE INVENTION

Двигатель включает в себя собственно бесшатунный поршневой ДВС с кривошипно-кулисным механизмом и механизм модульного отключения цилиндров, который состоит из узла блокировки штока и узла управления блокировкой штока.The engine includes a connecting rod-less piston internal combustion engine with a crank-link mechanism and a modular cylinder shut-off mechanism, which consists of a rod locking unit and a rod locking control unit.

Бесшатунный ДВС (фиг. 1) содержит неподвижный картер 38, два параллельных коленчатых вала 27 с добавочными противовесами 28, расположенных на двух сторонах цилиндра 1, установленного на картере 38, поршень 2, расположенный в цилиндре 1 и соединенный или жестко и разъемно, или шарнирно с верхней частью штока 3, нижняя часть которого снабжена на диаметрально противоположных сторонах выемками 16 радиусом (фиг. 2), кулису, имеющую верхнюю 22 и нижнюю 26 направляющие с опорными поверхностями (фиг. 24), в которых выполнены отверстия 43 (фиг. 12 и 13) и 47 (фиг. 14), для возможности свободного перемещения штока 3, две боковые 25 и одна центральная 21 дистанционные стойки, жестко соединенные с направляющими 22 и 26 кулисы, установленные на кривошипных шейках 24 и 35 по меньшей мере по два опорных элемента в виде полукатков 23 и 36 (фиг. 23), кинематически связанных с механизмом проворота полукатков, выполненным в виде реечной цилиндрической зубчатой передачи, которая состоит из зубчатых полуколец 31 и 34, жестко соединенных с полукатками 23 и 36, и зубчатых реек 32 и 37 (фиг. 24), жестко прикрепленных к верхней 22 и нижней 26 направляющим кулисы. Коленчатые валы 27 связаны между собой при помощи двух одинаковых шестерен 29, синхронно вращающихся в противоположные стороны. Боковые направляющие 30 кулисы неподвижно установлены в картере 38 двигателя и выполнены в виде стержней, проходящих с зазором через продольные отверстия боковых дистанционных стоек 25. The connecting rodless ICE (Fig. 1) comprises a fixed crankcase 38, two parallel crankshafts 27 with additional counterweights 28 located on two sides of the cylinder 1 mounted on the crankcase 38, a piston 2 located in the cylinder 1 and connected either rigidly and detachably, or pivotally to the upper part of the rod 3, the lower part of which is provided on diametrically opposite sides with recesses 16 with a radius (Fig. 2), a link having upper 22 and lower 26 guides with support surfaces (Fig. 24) in which openings 43 (Fig. 12 and 13) and 47 (Fig. 14) are made to enable free movement of the rod 3, two lateral 25 and one central 21 distance posts rigidly connected to the guides 22 and 26 of the link, mounted on the crank journals 24 and 35 at least two support elements in the form of half-rollers 23 and 36 (Fig. 23), kinematically connected to the mechanism for turning the half-rollers, made in the form of a rack cylindrical gear transmission, which consists of toothed half rings 31 and 34, rigidly connected to the half-rollers 23 and 36, and toothed racks 32 and 37 (Fig. 24), rigidly attached to the upper 22 and lower 26 guides of the linkage. Crankshafts 27 are connected to each other by means of two identical gears 29, synchronously rotating in opposite directions. Side guides 30 of the linkage are fixedly installed in the crankcase 38 of the engine and are made in the form of rods passing with a gap through the longitudinal holes of the side spacer posts 25.

Узел блокировки штока (фиг. 1) состоит из корпуса 6 (см. также фиг. 24), жестко установленного на верхней направляющей 22 кулисы и имеющего два сквозных отверстия, через которые проходит с зазором шток 3, и полость с установленным в ней с зазором диском 7, в котором выполнены два перпендикулярно друг другу диаметральных отверстия 19 и 20 (фиг. 10), одно из которых служит для возможности поступательного перемещения штока 3, а в другом горизонтальном отверстии размещены по обе стороны штока 3 фиксирующие пальцы 8 и блокировочные полуобоймы 10, прижатые к фиксирующим пальцам 8 упругими элементами 9, выполненными в виде пружин сжатия. Полуобоймы 10, которые могут взаимно перемещаться к штоку 3 или взаимно удаляться от него, имеют цилиндрические выемки 17 радиусом (фиг. 5), входящие в исходном положении в зацепление с фиксирующими пальцами 8 (фиг. 1), которые в свою очередь входят в зацепление с цилиндрическими выемками 16 радиусом на штоке 3 (фиг. 2). Таким образом, когда фиксирующие пальцы 8 (фиг. 1) входят в зацепление как с выемками штока 3, так и с выемками полуобойм 10, предотвращается линейное перемещение штока 3 относительно верхней направляющей 22 кулисы, тем самым обеспечивается кинематическая связь поршня 2 с кривошипно-кулисным механизмом и, соответственно, включение цилиндра в работу. В положении, когда шток 3 повернут на угол β примерно 90 градусов (фиг. 8) фиксирующие пальцы 8 расположены на диаметре штока 3 и не входят в зацепление с выемками 16 на штоке 3, тем самым позволяя поступательное движение верхней направляющей 22 кулисы (фиг. 1) относительно штока 3. Следовательно, при повернутом штоке 3 примерно на 90 градусов обеспечивается остановка поршня 2 независимо от наличия вращения коленчатых валов. The rod locking unit (Fig. 1) consists of a housing 6 (see also Fig. 24), rigidly mounted on the upper guide 22 of the linkage and having two through holes through which the rod 3 passes with a gap, and a cavity with a disk 7 installed in it with a gap, in which two diametrical holes 19 and 20 (Fig. 10) are made perpendicular to each other, one of which serves to enable the translational movement of the rod 3, and in the other horizontal hole, locking pins 8 and locking half-shells 10 are placed on both sides of the rod 3, pressed against the locking pins 8 by elastic elements 9 made in the form of compression springs. The half-shells 10, which can mutually move toward the rod 3 or mutually move away from it, have cylindrical recesses 17 with a radius (Fig. 5), which in the initial position engage with the locking pins 8 (Fig. 1), which in turn engage with the cylindrical recesses 16 with a radius on the rod 3 (Fig. 2). Thus, when the locking pins 8 (Fig. 1) engage both the recesses of the rod 3 and the recesses of the half-shells 10, the linear movement of the rod 3 relative to the upper guide 22 of the linkage is prevented, thereby ensuring the kinematic connection of the piston 2 with the crank-link mechanism and, accordingly, the activation of the cylinder. In the position when the rod 3 is turned by an angle β of approximately 90 degrees (Fig. 8), the locking pins 8 are located on the diameter of the rod 3 and do not engage with the recesses 16 on the rod 3, thereby allowing the translational movement of the upper guide 22 of the linkage (Fig. 1) relative to the rod 3. Consequently, when the rod 3 is turned by approximately 90 degrees, the piston 2 is stopped regardless of the presence of rotation of the crankshafts.

Узел управления блокировкой штока, осуществляющий поворот штока 3 в одну сторону или в другую сторону в зависимости от уровня нагрузки двигателя, включает в себя (фиг. 15) собственно моментный гидроцилиндр и цилиндрический золотниковый распределитель, подключенный к блоку управления двигателя (на приведенной фигуре не показан). Моментный гидроцилиндр состоит из корпуса 12, неподвижно установленного в нижней части цилиндра 1 (см. также фиг. 1), в котором запрессована втулка 15 с вырезом в виде сектора с центральным углом примерно 90 градусов, ротора 5, установленного с зазором во втулке 15 и имеющего возможность возвратно-поворотного движения в пределах примерно 90 градусов, лопатки 13, расположенной с небольшим зазором в пазе 50 ротора 5 (фиг. 10), и поводка 48 (фиг. 15), служащего для кинематической связи ротора 5 со штоком 3. Лопатка 13 прижата к рабочей поверхности корпуса 12 моментного гидроцилиндра с помощью упругого элемента в виде пластинчатой пружины 14. Поводком служит, например, штифт, расположенный в гнезде 49, выполненном в теле ротора 5 (фиг. 16, 17), и контактирующий с лыской 4 на штоке 3 (фиг. 1). The rod lock control unit , which rotates rod 3 in one direction or the other depending on the engine load level, includes (Fig. 15) the actual torque hydraulic cylinder and a cylindrical spool valve connected to the engine control unit (not shown in the figure). The torque hydraulic cylinder consists of a housing 12 fixedly mounted in the lower part of the cylinder 1 (see also Fig. 1), in which a sleeve 15 with a cutout in the form of a sector with a central angle of approximately 90 degrees is pressed in, a rotor 5 mounted with a gap in the sleeve 15 and capable of reciprocating and rotary movement within approximately 90 degrees, a blade 13 located with a small gap in a groove 50 of the rotor 5 (Fig. 10), and a driver 48 (Fig. 15) serving for the kinematic connection of the rotor 5 with the rod 3. The blade 13 is pressed against the working surface of the housing 12 of the torque hydraulic cylinder by means of an elastic element in the form of a leaf spring 14. The driver is, for example, a pin located in a socket 49 made in the body of the rotor 5 (Figs. 16, 17), and contacting with chamfer 4 on rod 3 (Fig. 1).

Моментный гидроцилиндр имеет верхнюю и нижнюю крышки 11 (фиг. 1), которые жестко и разъемно прикреплены к корпусу 12. В крышках 11 (фиг.18) выполнены отверстия 46 для возможности свободного прохода штока 3. Рабочие полости А и В моментного гидроцилиндра (фиг. 15) подключены через гидравлические каналы к золотниковому распределителю. Золотниковый распределитель включает корпус 51, два командных цилиндрических золотника 53 и 56 с возвратными пружинами 54 и 55, два электромагнита 52 и 57, нагнетательные , и сливные , гидравлические каналы с соответствующими нагнетательными и сливными окнами (на фиг. 15 не обозначены). Золотниковый распределитель подключен к системе смазки 58 двигателя и блоку управления двигателя (на фиг. 15 не показан).The torque hydraulic cylinder has upper and lower covers 11 (Fig. 1), which are rigidly and detachably attached to the body 12. In the covers 11 (Fig. 18) there are openings 46 to allow free passage of the rod 3. The working cavities A and B of the torque hydraulic cylinder (Fig. 15) are connected through hydraulic channels to the spool valve. The spool valve includes a body 51, two command cylindrical spools 53 and 56 with return springs 54 and 55, two electromagnets 52 and 57, pressure , and drains , hydraulic channels with corresponding injection and drain windows (not shown in Fig. 15). The spool valve is connected to the engine lubrication system 58 and the engine control unit (not shown in Fig. 15).

Кинематическая связь штока с ротором узла управления блокировки штока может быть также осуществлена следующими примерными вариантами:The kinematic connection of the rod with the rotor of the rod locking control unit can also be implemented using the following approximate options:

- применением прямолинейного шлицевого соединения;- using a straight spline connection;

- применением прорези по длине штока, взаимодействующей со штифтом, жестко закрепленным на роторе;- using a slot along the length of the rod, interacting with a pin rigidly fixed to the rotor;

- применением двух лысок по длине штока, взаимодействующих с поводком в виде скобы, жестко установленной на роторе;- by using two flats along the length of the rod, interacting with a leash in the form of a bracket, rigidly installed on the rotor;

- применением штока прямоугольного сечения, например, квадрата.- using a rod of rectangular cross-section, for example, a square.

Целесообразность вариантов выполнения связи штока с ротором определяется принятой технологией изготовления штока и ротора.The feasibility of the options for performing the connection between the rod and the rotor is determined by the adopted technology for manufacturing the rod and rotor.

РАБОТА ДВИГАТЕЛЯENGINE OPERATION

Сначала дано описание включенного состояния цилиндров. Во время пуска двигателя и нагрузки большого уровня все цилиндры находятся во включенном положении. В этом случае узел блокировки штока жестко блокирует между собой шток 3 с верхней направляющей 22 кулисы как показано на фиг. 1 и 6: пальцы 8 находятся в зацеплении как с выемками 16 штока 3 (фиг. 2), так и с выемками 17 полуобоймы 10 (фиг. 5), тем самым предотвращая линейное движение штока 3 относительно верхней направляющей 22 кулисы. Таким образом, при вращении коленчатых валов 27 (фиг. 1) поршень 2, связанный со штоком 3, совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 1, а в надпоршневой полости цилиндра 1 протекает рабочий цикл. Результирующая знакопеременная сила Р от поршня 2 через шток 3 и узел блокировки штока передается на верхнюю 22 и нижнюю 26 направляющие кулисы в зависимости от знака силы Р и далее через опорные элементы в виде полукатков 23 и 36 (фиг. 23) передается на коленчатые валы 27. First, a description of the on state of the cylinders is given . During engine start-up and high-level load, all cylinders are in the on position. In this case, the rod locking unit rigidly locks rod 3 with the upper guide 22 of the linkage as shown in Figs. 1 and 6: fingers 8 are engaged both with recesses 16 of rod 3 (Fig. 2) and with recesses 17 of half-cage 10 (Fig. 5), thereby preventing linear movement of rod 3 relative to the upper guide 22 of the linkage. Thus, when crankshafts 27 (Fig. 1) rotate, piston 2, connected to rod 3, performs a reciprocating motion in cylinder 1, and a working cycle occurs in the above-piston cavity of cylinder 1. The resulting alternating force P from piston 2 through rod 3 and the rod locking unit is transmitted to the upper 22 and lower 26 guide links depending on the sign of force P and then through support elements in the form of half-rollers 23 and 36 (Fig. 23) is transmitted to crankshafts 27.

Далее дано описание процесса отключения цилиндра путем остановки поршня. При отсутствии сигнала управления от блока управления двигателя цилиндры находятся во включенном положении, при котором во время вращения коленчатых валов поршни совершают возвратно-поступательное движение. The following is a description of the process of disabling a cylinder by stopping the piston. In the absence of a control signal from the engine control unit, the cylinders are in the on position, in which the pistons perform a reciprocating motion during the rotation of the crankshafts.

При подаче на электромагнит 52 (фиг. 15) сигнала управления от блока управления двигателя золотник 53, преодолевая возвратную пружину 54, перемещается влево и открывает гидравлические нагнетательные и сливные окна. При этом из масляной системы 58 двигателя масло под давлением по масляным каналам поступает в полость А и одновременно из полости В масло по каналам сливается в картер 38 двигателя. В результате этого под действием разности давлений, приложенных к лопатке 13, энергия потока масла преобразуется в механическую энергию вращательного движения ротора 5 (в данном случае ротор поворачивается против хода часовой стрелки).When a control signal is supplied to the electromagnet 52 (Fig. 15) from the engine control unit, the spool 53, overcoming the return spring 54, moves to the left and opens the hydraulic injection and drain windows. In this case, oil under pressure from the engine oil system 58 through oil channels oil enters cavity A and simultaneously from cavity B through channels is drained into the engine crankcase 38. As a result, under the action of the pressure difference applied to the blade 13, the energy of the oil flow is converted into the mechanical energy of the rotational motion of the rotor 5 (in this case, the rotor rotates counterclockwise).

Вместе с ротором 5 будет поворачиваться шток 3, который кинематически связан с ротором с помощью, например, лыски 4 на штоке 3 (фиг. 1, 2 и 4) и поводка 48 (фиг. 15), расположенного в теле ротора 5. В этом случае кромками выемок 16 на штоке (фиг. 2 и 3) производится разведение фиксирующих пальцев 8 как показано на фиг. 6, 7 и 8. В исходном положении, когда угол β поворота штока 3 равен нулю (фиг. 6), цилиндр 1 включен, то есть при вращении коленчатых валов 27 (фиг. 1) поршень 2 совершает возвратно-поступательное движение. При угле поворота штока примерно β=90° (фиг. 8) фиксирующие пальцы 8 полностью выходят из выемок 16 и в дальнейшем один из пальцев контактирует с лыской 4, выполненной по рабочей длине штока 3 в плоскости, перпендикулярной размещению выемок 16, а второй палец контактирует по наружной поверхности штока 3. При этом шток разблокирован и кулиса вместе с узлом блокировки штока будет свободно перемещаться относительно остановленного штока 3, а вместе с ним и остановленного поршня. Таким образом, поскольку поршень 2 остановлен, то можно считать, что цилиндр 1 отключен. При текущем повороте штока 3, определяемого углом β, как показано на фиг. 7, происходит процесс разблокировки штока 3 от верхней направляющей 22 кулисы, то есть осуществляется процесс отключения цилиндра.Together with the rotor 5, the rod 3 will rotate, which is kinematically connected to the rotor with the help of, for example, the chamfer 4 on the rod 3 (Fig. 1, 2 and 4) and the leash 48 (Fig. 15), located in the body of the rotor 5. In this case, the edges of the recesses 16 on the rod (Fig. 2 and 3) spread the locking pins 8 as shown in Fig. 6, 7 and 8. In the initial position, when the angle β of rotation of the rod 3 is equal to zero (Fig. 6), the cylinder 1 is turned on, that is, when the crankshafts 27 (Fig. 1) rotate, the piston 2 performs a reciprocating motion. At the angle of rotation of the rod of approximately β=90° (Fig. 8), the locking pins 8 completely exit the recesses 16 and subsequently one of the pins contacts the chamfer 4 made along the working length of the rod 3 in the plane perpendicular to the placement of the recesses 16, and the second pin contacts along the outer surface of the rod 3. In this case, the rod is unlocked and the linkage together with the rod locking unit will move freely relative to the stopped rod 3, and together with it the stopped piston. Thus, since the piston 2 is stopped, it can be considered that the cylinder 1 is disconnected. At the current rotation of the rod 3, determined by the angle β, as shown in Fig. 7, the process of unlocking the rod 3 from the upper guide 22 of the linkage occurs, i.e. the process of disconnecting the cylinder is carried out.

Затем дано описание включения в работу цилиндра. В этом случае осуществляется обратный ход (реверс) ротора 5 (фиг. 15) по сигналу управления от блока управления двигателя, приложенного к электромагниту 57. При срабатывании электромагнита золотник 56, сжимая пружину 55, перемещается вправо, открывая соответствующие нагнетательные и сливные окна и масло из масляной системы 58 под давлением поступает в полость B по каналам , а сливается из полости A в картер двигателя через каналы . В конце поворота ротора 5 шток 3 и фиксирующие пальцы 8 занимают свое исходное положение, при котором осуществляется блокировка штока с кулисой, то есть включение в работу цилиндра. Then a description of the cylinder activation is given . In this case, the rotor 5 (Fig. 15) is reversed by a control signal from the engine control unit applied to the electromagnet 57. When the electromagnet is triggered, the spool 56, compressing the spring 55, moves to the right, opening the corresponding injection and drain windows and oil from the oil system 58 under pressure enters cavity B through channels , and drains from cavity A into the engine crankcase through channels . At the end of the rotation of rotor 5, rod 3 and locking pins 8 occupy their initial position, in which the rod is locked with the linkage, i.e. the cylinder is switched on.

Согласно настоящему раскрытию, когда требуется в зависимости от уровня нагрузки двигателя включать или выключать из работы часть цилиндров, шток по команде сигнала управления от блока управления двигателя может поворачиваться в одну или другую сторону, так что блокируется или деблокируется кинематическая связь между штоком (поршнем) и кулисой, связанной с коленчатыми валами. Такая технология позволяет просто включать и выключать из работы любой цилиндр (или группу цилиндров) двигателя путем остановки поршня при вращающихся коленчатых валах.According to the present disclosure, when it is required to switch on or switch off a part of the cylinders depending on the engine load level, the rod can rotate in one direction or the other by a command from the control signal from the engine control unit, so that the kinematic connection between the rod (piston) and the linkage connected to the crankshafts is blocked or unblocked. Such technology allows to switch on and switch off any cylinder (or group of cylinders) of the engine simply by stopping the piston with the crankshafts rotating.

При этом возможны остановки поршня в следующих случаях:In this case, the piston may stop in the following cases:

- в положении, близком к верхней мертвой точке (ВМТ), как показано на фиг. 19, 20;- in a position close to top dead center (TDC), as shown in Fig. 19, 20;

- в положении нижней мертвой точки (НМТ), показанном на фиг. 21, 22;- in the bottom dead center (BDC) position shown in Fig. 21, 22;

- в промежуточном положении между ВМТ и НМТ.- in an intermediate position between TDC and BDC.

При возвратно-поступательном движении кулисы, между остановленным штоком 3 и фиксирующими пальцами 8 (фиг. 8), которые движутся движущиеся вместе с кулисой и прижаты к штоку через полуобоймы 10 упругими элементами 9 в виде пружин сжатия (как показано на фиг. 1), возникает сила трения, стремящаяся привести в движение шток 3. Однако эта сила трения существенно меньше силы трения между поршнем 2 с уплотнительными кольцами и цилиндром 1. Поэтому в отключенном цилиндре во время возвратно-поступательного движения кулисы вместе с фиксирующими пальцами поршень будет находиться в остановленном положении.During the reciprocating motion of the link, between the stopped rod 3 and the locking pins 8 (Fig. 8), which move together with the link and are pressed against the rod through the half-shells 10 by elastic elements 9 in the form of compression springs (as shown in Fig. 1), a frictional force arises, which tends to set the rod 3 in motion. However, this frictional force is significantly less than the frictional force between the piston 2 with the sealing rings and the cylinder 1. Therefore, in the disconnected cylinder, during the reciprocating motion of the link together with the locking pins, the piston will be in a stopped position.

Предпочтительно, чтобы узел управления блокировкой штока мог управлять отключением цилиндров таким образом, чтобы поршень останавливался во время процессов рабочего цикла двигателя, где суммарная сила P, приложенная к поршню, была незначительной - в конце расширения и в процессе выпуска. В процессе впуска останавливать поршень нежелательно, так как свежий заряд, во-первых, будет охлаждать отключенный цилиндр и, во-вторых, при последующем включении цилиндра на такте выпуска будет безвозмездно удален свежий заряд из цилиндра, что снижает экономичность двигателя и увеличивает выбросы несгоревших углеводородов СН с отработавшими газами.It is preferable that the piston rod lock control unit could control the cylinder deactivation in such a way that the piston is stopped during the engine operating cycle processes where the total force P applied to the piston is insignificant - at the end of the expansion and during the exhaust process. It is undesirable to stop the piston during the intake process, since the fresh charge, firstly, will cool the deactivated cylinder and, secondly, during the subsequent activation of the cylinder on the exhaust stroke, the fresh charge will be removed from the cylinder for free, which reduces the engine efficiency and increases the emissions of unburned hydrocarbons CH with the exhaust gases.

Использование технологии отключения цилиндров согласно настоящему изобретению дает следующие преимущества:The use of the cylinder deactivation technology according to the present invention provides the following advantages:

1. Модульное отключение цилиндров путем остановки поршня повышает топливную экономичность двигателя от 15% на режимах высокого уровня нагрузки до 40% на режимах, близких к холостому ходу двигателя, а также уменьшает выбросы токсичных веществ с отработавшими газами, особенно несгоревших углеводородов СН.1. Modular cylinder deactivation by stopping the piston increases the engine's fuel efficiency from 15% at high load levels to 40% at engine idle levels, and also reduces emissions of toxic substances with exhaust gases, especially unburned hydrocarbons CH.

2. В бесшатунном двигателе отключение цилиндров не оказывает влияния на его вибрацию от возвратно-поступательных сил инерции и центробежных сил инерции, которые полностью уравновешены независимо от числа и расположения работающих цилиндров (Мищенко Н.И. Нетрадиционные малоразмерные двигатели внутреннего сгорания. В 2 томах. Т. 1. Теория, разработка и испытание нетрадиционных двигателей внутреннего сгорания. - Донецк: «Лебедь», 1998. - 228 с.).2. In a connecting rod-less engine, disabling the cylinders does not affect its vibration from the reciprocating inertial forces and centrifugal inertial forces, which are completely balanced regardless of the number and arrangement of the working cylinders (Mishchenko N.I. Non-traditional small-sized internal combustion engines. In 2 volumes. Vol. 1. Theory, development and testing of non-traditional internal combustion engines. - Donetsk: "Lebed", 1998. - 228 p.).

3. Система включения-выключения цилиндров обладает высоким быстродействием: согласно экспериментальным исследованиям, время срабатывания составляет порядка 0,05…0,15 сек.3. The cylinder on/off system has a high response speed: according to experimental studies, the response time is about 0.05...0.15 sec.

4. Предложенный механизм отключения цилиндров не требует больших затрат энергии на процесс отключения-включения цилиндров, которые составляют 30…50 Вт. На привод ротора узла управления блокировкой штока используется давление масла от системы смазки двигателя.4. The proposed mechanism for disabling the cylinders does not require large energy costs for the process of disabling and enabling the cylinders, which amount to 30…50 W. The pressure is used to drive the rotor of the rod locking control unit. oils from the engine lubrication system.

5. Исключается проблема синхронизации работы систем питания, зажигания, газораспределения при отключении цилиндров.5. The problem of synchronizing the operation of the power supply, ignition, and gas distribution systems when the cylinders are switched off is eliminated.

6. Предложенный бесшатунный двигатель обеспечивает возможность отключения цилиндров путем остановки поршня, сохраняя традиционные конструкции головки цилиндров, кривошипно-кулисного механизма, картера, коленчатых валов, а также системы смазки, охлаждения и питания с небольшими конструктивными изменениями штока, блока цилиндров и направляющих кулисы.6. The proposed connecting rod-less engine provides the ability to deactivate cylinders by stopping the piston, while maintaining the traditional designs of the cylinder head, crank mechanism, crankcase, crankshafts, as well as the lubrication, cooling and power supply systems with minor design changes to the piston rod, cylinder block and linkage guides.

7. Механизм отключения цилиндров может быть применен в бесшатунных поршневых ДВС: дизелях, бензиновых двигателях, с наддувом и без наддува.7. The cylinder deactivation mechanism can be used in connecting rod-less piston internal combustion engines: diesel, gasoline engines, with and without turbocharging.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ,SOURCES OF INFORMATION,

принятые во внимание при составлении описания заявкиtaken into account when drafting the application description

1. Патент США № 4231338, US. CL. 123/568, Int. CL.3 F02М 25/06, опубл. 1980.1. US Patent No. 4,231,338, US. CL. 123/568, Int. CL. 3 F02M 25/06, published 1980.

2. Патент США № 4204514, US. CL. 123/198, Int. CL. F02D 17/00, опубл. 1980.2. US Patent No. 4,204,514, US. CL. 123/198, Int. CL. F02D 17/00, published 1980.

3. Заявка Японии № 341646, МКИ5 F01L 13/00. опубл. 1991.3. Japanese Application No. 341646, IPC5 F01L 13/00. Published 1991.

4. Патент США № 7317984 В2, US. CL. 701/112; 123/320, Int. CL.: G061 19/00; F02B 33/00, опубл. 2008.4. US Patent No. 7317984 B2, US. CL. 701/112; 123/320, Int. CL.: G061 19/00; F02B 33/00, published 2008.

5. Патент США № 4069803, US. CL. 123/198, Int. CL.2 F02B 75/18, опубл. 1978.5. US Patent No. 4,069,803, US. CL. 123/198, Int. CL. 2 F02B 75/18, published 1978.

6. Патент США № 4394854, US. CL. 123/198, Int. CL. F02D 17/02, опубл. 1983.6. US Patent No. 4,394,854, US. CL. 123/198, Int. CL. F02D 17/02, published 1983.

7. Патент RU № 2794018 C1, МПК: F01B 9/02 (2006.1); F02B 75/32 (2006/01), опубл. 2023. 7. Patent RU No. 2794018 C1, IPC: F01B 9/02 (2006.1); F02B 75/32 (2006/01), publ. 2023.

8. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 1. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1977. - 623 с. 8. Orlov P.I. Basics of Design. Reference and Methodological Manual in 3 Books. Book 1. 2nd Edition, Revised and Supplemented. Moscow, "Mashinostroenie", 1977. - 623 p.

9. Мищенко Н.И. Нетрадиционные малоразмерные двигатели внутреннего сгорания. В 2 томах. Т. 1. Теория, разработка и испытание нетрадиционных двигателей внутреннего сгорания. - Донецк: «Лебедь», 1998. - 228 с. 9. Mishchenko N.I. Non-traditional small-sized internal combustion engines. In 2 volumes. Vol. 1. Theory, development and testing of non-traditional internal combustion engines. - Donetsk: "Lebed", 1998. - 228 p.

Claims (13)

1. Бесшатунный поршневой двигатель с модульным отключением цилиндров, содержащий неподвижный картер с установленным на нем цилиндром, два параллельных коленчатых вала, расположенных на двух сторонах цилиндра, и поршень, расположенный в цилиндре и соединённый посредством штока с кулисой, имеющей верхнюю и нижнюю направляющие с опорными поверхностями, расположенными в плоскости вращения коленчатых валов перпендикулярно оси штока, по меньшей мере два опорных элемента, выполненных в виде полукатков, установленных на каждой кривошипной шейке коленчатых валов рядом друг с другом, один полукаток служит для качения по опорной поверхности верхней направляющей кулисы, второй полукаток служит для качения по опорной поверхности нижней направляющей кулисы, полукатки снабжены для возможности качения без проскальзывания механизмом проворота полукатков, выполненным в виде реечной цилиндрической зубчатой передачи, у которой зубчатое полукольцо жестко соединено с полукатком, а зубчатые рейки жестко прикреплены к соответствующей направляющей кулисы, отличающийся тем, что двигатель дополнительно включает в себя механизм модульного отключения цилиндров путем остановки поршня, состоящий из узла блокировки штока, служащего для соединения и разъединения штока с кулисой, причем шток имеет постоянную кинематическую связь с поршнем, а узел управления блокировкой штока подключен к блоку управления двигателя.1. A connecting rod-less piston engine with modular cylinder deactivation, comprising a fixed crankcase with a cylinder mounted thereon, two parallel crankshafts located on two sides of the cylinder, and a piston located in the cylinder and connected by means of a rod to a linkage having upper and lower guides with support surfaces located in the plane of rotation of the crankshafts perpendicular to the axis of the rod, at least two support elements made in the form of half-rollers mounted on each crank journal of the crankshafts next to each other, one half-roller serves for rolling along the support surface of the upper guide linkage, the second half-roller serves for rolling along the support surface of the lower guide linkage, the half-rollers are equipped for the possibility of rolling without slipping with a mechanism for turning the half-rollers, made in the form of a rack cylindrical gear transmission, in which the toothed half ring is rigidly connected to the half-roller, and the toothed racks are rigidly attached to the corresponding guide of the link, characterized in that the engine additionally includes a mechanism for modular cylinder shutdown by stopping the piston, consisting of a rod locking unit used to connect and disconnect the rod from the link, wherein the rod has a constant kinematic connection with the piston, and the rod locking control unit is connected to the engine control unit. 2. Двигатель по п. 1. отличающийся тем, что узел блокировки штока содержит корпус, жестко прикрепленный к верхней направляющей кулисы н имеющий два соосных отверстия, через которые проходит с зазором шток, диск, расположенный в корпусе с возможностью скольжения, в котором выполнены перпендикулярно друг другу два сквозных соосных отверстия, в одном из которых может перемещаться шток, а в другом отверстии расположены по обе стороны штока две полуобоймы с возможностью линейного перемещения, полуобоймы имеют выемки цилиндрической формы радиусом , в свою очередь, в нижней части штока выполнены на диаметрально противоположных сторонах такие же выемки и взаимно расположены так, что выемки в штоке и выемки в полуобоймах образуют две цилиндрические полости диаметром , в которых размещены с зазором два фиксирующих пальца диаметром , причем диаметр цилиндрической полости равен , где - отношение диаметров цилиндрической полости и фиксирующего пальца, предпочтительно , при котором обеспечивается наибольшая несущая способность цилиндрического сочленения, полуобоймы прижимаются к фиксирующим пальцам с помощью упругих элементов, выполненных, например, в виде цилиндрических пружин сжатия, установленных в этих отверстиях и упирающихся своими свободными концами на внутреннюю поверхность корпуса, шток имеет возможность углового поворота относительно оси цилиндра, чтобы разблокировать его линейное движение относительно корпуса, тем самым остановить шток с поршнем и выключить цилиндр из работы при наличии возвратно-поступательного движения кулисы, шток имеет элемент привода для возможности осуществления углового поворота, выполненный в виде, например, по меньшей мере одной лыски на наружной поверхности штока предпочтительно длиной , где S - ход поршня, верхняя и нижняя направляющие кулисы, а также центральная стойка кулисы имеют отверстия для возможности свободного возвратно-поступательного движения штока.2. An engine according to claim 1, characterized in that the rod locking unit comprises a housing rigidly attached to the upper guide of the linkage and having two coaxial openings through which the rod passes with a gap, a disk located in the housing with the possibility of sliding, in which two through coaxial openings are made perpendicular to each other, in one of which the rod can move, and in the other opening two half-shells are located on both sides of the rod with the possibility of linear movement, the half-shells have cylindrical recesses with a radius , in turn, in the lower part of the rod, the same recesses are made on diametrically opposite sides and are mutually arranged so that the recesses in the rod and the recesses in the half-shells form two cylindrical cavities with a diameter , in which two fixing pins with a diameter of , and the diameter of the cylindrical cavity is equal to , Where - the ratio of the diameters of the cylindrical cavity and the fixing pin, preferably , which ensures the greatest load-bearing capacity of the cylindrical joint, the half-shells are pressed against the locking pins with the help of elastic elements made, for example, in the form of cylindrical compression springs installed in these holes and resting with their free ends on the inner surface of the housing, the rod has the ability to angularly rotate relative to the axis of the cylinder in order to unlock its linear movement relative to the housing, thereby stopping the rod with the piston and turning the cylinder off in the presence of a reciprocating movement of the linkage, the rod has a drive element for the ability to implement angular rotation, made in the form of, for example, at least one chamfer on the outer surface of the rod, preferably of length , where S is the piston stroke, the upper and lower guides of the linkage, as well as the central pillar of the linkage have openings to allow free reciprocating movement of the rod. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что узел управления блокировкой штока содержит моментный гидроцилиндр и цилиндрический золотниковый распределитель, подключенный к блоку управления двигателя, моментный гидроцилиндр состоит из корпуса моментного гидроцилиндра, неподвижно и соосно установленного в нижней части цилиндра двигателя, ротора, имеющего возможность возвратно-поворотного движения в пределах 90 градусов, лопатки, расположенной с зазором в пазе ротора и прижатой к рабочей поверхности корпуса моментного гидроцилиндра с помощью упругого элемента в виде пластинчатой пружины, и поводка, служащего для кинематической связи ротора со штоком, причем поводком служит, например, штифт, расположенный в гнезде, выполненном в теле ротора, который контактирует с элементом привода в виде по меньшей мере одной лыски, выполненной вдоль наружной поверхности штока, боковые поверхности лопатки и корпуса моментного гидроцилиндра образуют две рабочие полости (А) и (В), подключенные через гидравлические каналы к золотниковому распределителю, содержащему корпус распределителя, два командных цилиндрических золотника с возвратными пружинами, два электромагнита и нагнетательные н сливные окна, а также масляные каналы, командные золотники служат для управления реверсивного углового перемещения ротора, а вместе с ним и штока, путем изменения направления потока масла между полостями (А) и (В) в зависимости от уровня нагрузки двигателя.3. The engine according to claim 1, characterized in that the rod lock control unit comprises a torque hydraulic cylinder and a cylindrical spool valve connected to the engine control unit, the torque hydraulic cylinder consists of a torque hydraulic cylinder body, fixedly and coaxially mounted in the lower part of the engine cylinder, a rotor capable of reciprocating and rotary movement within 90 degrees, a blade located with a gap in the rotor groove and pressed against the working surface of the torque hydraulic cylinder body by means of an elastic element in the form of a leaf spring, and a driver serving for the kinematic connection of the rotor with the rod, wherein the driver is, for example, a pin located in a socket made in the rotor body, which contacts the drive element in the form of at least one chamfer made along the outer surface of the rod, the side surfaces of the blade and the torque hydraulic cylinder body form two working cavities (A) and (B), connected through hydraulic channels to the spool valve a distributor containing a distributor housing, two command cylindrical spool valves with return springs, two electromagnets and injection and drain windows, as well as oil channels, the command spool valves serve to control the reversible angular movement of the rotor, and along with it the rod, by changing the direction of the oil flow between cavities (A) and (B) depending on the engine load level. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что верхняя и нижняя направляющие кулисы, а также центральная стойка кулисы имеют отверстия для возможности свободного возвратно-поступательного движения штока.4. An engine according to item 1, characterized in that the upper and lower guides of the linkage, as well as the central pillar of the linkage, have openings to allow free reciprocating movement of the rod. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что верхняя часть штока жестко соединена с поршнем двигателя.5. An engine according to item 1, characterized in that the upper part of the rod is rigidly connected to the engine piston. 6. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что на наружной поверхности штока выполнены две продольные лыски, которые расположены на диаметрально противоположных сторонах штока.6. An engine according to item 2, characterized in that two longitudinal chamfers are made on the outer surface of the rod, which are located on diametrically opposite sides of the rod. 7. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что корпус узла блокировки штока выполнен в виде кольца, снабженного ребрами жесткости.7. An engine according to item 2, characterized in that the housing of the rod locking unit is made in the form of a ring equipped with stiffening ribs. 8. Двигатель по п. 7, отличающийся тем, что корпус узла блокировки штока в виде кольца выполнен за одно целое с верхней направляющей кулисы.8. An engine according to item 7, characterized in that the housing of the rod locking unit in the form of a ring is made as a single piece with the upper guide of the linkage. 9. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что наружная рабочая поверхность полуобоймы имеет цилиндрическую форму.9. An engine according to item 2, characterized in that the outer working surface of the semi-cage has a cylindrical shape. 10. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что узел управления блокировкой штока установлен неподвижно в нижней части цилиндра.10. An engine according to item 1, characterized in that the rod lock control unit is fixedly installed in the lower part of the cylinder. 11. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что на боковой поверхности штока выполнена одна выемка, которая может взаимодействовать с такой же выемкой одной полуобоймы.11. An engine according to item 2, characterized in that one recess is made on the side surface of the rod, which can interact with the same recess of one half-cage. 12. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что длина фиксирующего пальца равна диаметру штока.12. The engine according to item 2, characterized in that the length of the locking pin is equal to the diameter of the rod. 13. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что угловой поворот штока составляет 90 градусов.13. The engine according to item 2, characterized in that the angular rotation of the rod is 90 degrees.
RU2024133129A 2024-11-05 Conrod-free piston engine with modular shutdown of cylinders RU2840585C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2840585C1 true RU2840585C1 (en) 2025-05-26

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4459945A (en) * 1981-12-07 1984-07-17 Chatfield Glen F Cam controlled reciprocating piston device
SU1151703A1 (en) * 1983-12-21 1985-04-23 Предприятие П/Я В-8916 Internal combustion engine
US4685342A (en) * 1985-05-15 1987-08-11 Brackett Douglas C Device for converting linear motion to rotary motion or vice versa
UA42033C2 (en) * 1997-06-11 2001-10-15 Автомобільно-Дорожній Інститут Донецького Державного Технічного Університету Two-stroke conrod free combustion engine
RU164887U1 (en) * 2015-12-30 2016-09-20 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" (Университет машиностроения) FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE
RU2794018C1 (en) * 2022-10-05 2023-04-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I (ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ ) Conrod-free engine with crank-rocker mechanism

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4459945A (en) * 1981-12-07 1984-07-17 Chatfield Glen F Cam controlled reciprocating piston device
SU1151703A1 (en) * 1983-12-21 1985-04-23 Предприятие П/Я В-8916 Internal combustion engine
US4685342A (en) * 1985-05-15 1987-08-11 Brackett Douglas C Device for converting linear motion to rotary motion or vice versa
UA42033C2 (en) * 1997-06-11 2001-10-15 Автомобільно-Дорожній Інститут Донецького Державного Технічного Університету Two-stroke conrod free combustion engine
RU164887U1 (en) * 2015-12-30 2016-09-20 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)" (Университет машиностроения) FREE PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE
RU2794018C1 (en) * 2022-10-05 2023-04-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I (ФГБОУ ВО Воронежский ГАУ ) Conrod-free engine with crank-rocker mechanism

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111566314B (en) Mechanism for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa and use thereof
US7980208B2 (en) Reciprocating engine
US9488099B2 (en) Opposed-piston engine having a single crankshaft coupled to the opposed pistons by linkages with pivoted rocker arms
US20040255879A1 (en) Harmonic sliding slotted link mechanism for piston engines
US20110011368A1 (en) Reciprocating engines
JP6364689B2 (en) Internal combustion engine
US8511265B2 (en) Variable stroke and compression ratio engine
US3482554A (en) Internal combustion engine v block cam transmission
RU2840585C1 (en) Conrod-free piston engine with modular shutdown of cylinders
EP2801713A1 (en) A Reciprocating Piston Combustion Engine and an Apparatus and a Method for Controlling Such an Engine
US5452689A (en) Rotary valve cam engine
JPS6018813B2 (en) internal combustion engine
EP1129309A1 (en) "isometric combustion" crank mechanisms
RU2406838C2 (en) Piston conrod-free internal combustion engine (versions)
WO1998039556A1 (en) Sakharnov piston engine
KR20080068801A (en) Piston internal combustion engine without connecting rod
JPH03149319A (en) Crankless engine
WO2007053857A1 (en) A reciprocating internal combustion engine with a cam groove-connecting rod type transmission mechanism
GB2607909A (en) BB11 Internal combustion engine
RU2509214C1 (en) Rack and tooth piston machine with switching of compression stage and disconnection of pistons
CN102182556A (en) Clash gear internal combustion engine
WO2012023971A2 (en) An opposed-piston engine having a single crankshaft coupled to the opposed piston by linkages with pivoted rocker arms